JPWO2016068054A1 - Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module - Google Patents

Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module Download PDF

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Abstract

高熱伝導部および低熱伝導部を有する基板によって熱電変換層を挟むことによって、熱電変換層の面方向に温度差を生じさせると共に、熱電変換層が、ナノ炭素材料と有機酸とを含有する熱電変換素子。これにより、良好な熱電変換性能を有し、かつ、電気的安定性にも優れる熱電変換素子、および、この熱電変換素子を用いる熱電変換モジュールを提供する。By sandwiching the thermoelectric conversion layer with a substrate having a high heat conduction part and a low heat conduction part, a temperature difference is generated in the surface direction of the thermoelectric conversion layer, and the thermoelectric conversion layer contains a nanocarbon material and an organic acid. element. Accordingly, a thermoelectric conversion element having good thermoelectric conversion performance and excellent electrical stability, and a thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion element are provided.

Description

本発明は、熱電変換素子および熱電変換モジュールに関する。詳しくは、熱電変換性能と電気的安定性に優れる熱電変換素子および熱電変換モジュールに関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion module. Specifically, the present invention relates to a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion module that are excellent in thermoelectric conversion performance and electrical stability.

熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換することができる熱電変換材料が、熱によって発電する発電素子やペルチェ素子のような熱電変換素子に用いられている。
熱電変換素子は、熱エネルギーを直接電力に変換することができ、可動部を必要としない等の利点を有する。そのため、複数の熱電変換素子を接続してなる熱電変換モジュール(発電装置)は、例えば、焼却炉や工場の各種の設備など、排熱される部位に設けることで、動作コストを掛ける必要なく、簡易に電力を得ることができる。
Thermoelectric conversion materials that can mutually convert thermal energy and electrical energy are used in thermoelectric conversion elements such as power generation elements and Peltier elements that generate electricity by heat.
The thermoelectric conversion element can convert heat energy directly into electric power, and has an advantage that a movable part is not required. For this reason, a thermoelectric conversion module (power generation device) formed by connecting a plurality of thermoelectric conversion elements is provided in a portion where heat is exhausted, such as an incinerator or various facilities in a factory, so that it is not necessary to incur operation costs and is simple. Can get power.

熱電変換素子は、一般的に、板状の基板の上に電極を有し、電極の上に熱電変換層(発電層)を有し、熱電変換層の上に板状の電極を有してなる構成を有する。このような熱電変換素子は、uni leg型の熱電変換素子とも呼ばれている。
すなわち、通常の熱電変換素子は、電極で熱電変換層を厚さ方向に挟持し、熱電変換層の厚さ方向に温度差を生じさせて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換させている。
A thermoelectric conversion element generally has an electrode on a plate-like substrate, a thermoelectric conversion layer (power generation layer) on the electrode, and a plate-like electrode on the thermoelectric conversion layer. It has the composition which becomes. Such a thermoelectric conversion element is also called a uni leg type thermoelectric conversion element.
That is, in a normal thermoelectric conversion element, a thermoelectric conversion layer is sandwiched between electrodes in the thickness direction, a temperature difference is generated in the thickness direction of the thermoelectric conversion layer, and heat energy is converted into electric energy.

これに対し、特許文献1および2には、熱電変換層の厚さ方向ではなく、高熱伝導部と低熱伝導部とを有する基板を用いて、熱電変換層の面方向に温度差を生じさせて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子が記載されている。
具体的には、特許文献1には、P型材料およびN型材料で形成された熱電変換層の両面に、熱伝導率が異なる2種類の材料で構成された柔軟性を有するフィルム基板を設け、熱伝導率が異なる材料を、基板の外面で、かつ、通電方向の逆位置に位置するように構成した熱電変換素子が記載されている。
On the other hand, in Patent Documents 1 and 2, a temperature difference is caused in the surface direction of the thermoelectric conversion layer using a substrate having a high heat conduction portion and a low heat conduction portion, not in the thickness direction of the thermoelectric conversion layer. A thermoelectric conversion element that converts thermal energy into electrical energy is described.
Specifically, in Patent Document 1, a flexible film substrate composed of two types of materials having different thermal conductivities is provided on both surfaces of a thermoelectric conversion layer formed of a P-type material and an N-type material. A thermoelectric conversion element is described in which materials having different thermal conductivities are arranged on the outer surface of the substrate and at positions opposite to the energizing direction.

また、特許文献2には、シート状の第1絶縁性部と、シート状の第2絶縁性部と、両絶縁性部の間に収容される熱起電力を取り出すための第1端部および第2端部を有する板状の熱電変換層と、熱電変換層と第1絶縁性部との間に配置される、第1端部の第1絶縁性部側を覆う、第1絶縁性部よりも熱伝導率が高い第1高熱伝導性部と、板状部材と第2絶縁性部との間に配置された、板状部材の第2端部の第2絶縁性部側を覆う、第2絶縁性部よりも熱伝導率が高い第2高熱伝導性部とを有する素子が記載されている。   Patent Document 2 discloses a sheet-like first insulating portion, a sheet-like second insulating portion, a first end portion for taking out a thermoelectromotive force accommodated between both insulating portions, and A plate-like thermoelectric conversion layer having a second end, and a first insulating portion that is disposed between the thermoelectric conversion layer and the first insulating portion and covers the first insulating portion side of the first end. Covering the second insulating portion side of the second end portion of the plate-like member, which is disposed between the first high thermal conductivity portion having a higher thermal conductivity than the plate-like member and the second insulating portion, An element having a second high thermal conductivity portion having a higher thermal conductivity than the second insulating portion is described.

このような熱電変換素子は、基板に設けられる高熱伝導部によって熱電変換層の面方向に温度差を生じさせて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。そのため、薄い熱電変換層でも、温度差が生じる距離を長くして、効率の良い発電ができる。さらに、熱電変換層をシート状にできるので、フレキシブル性にも優れ、曲面等への設置も容易な熱電変換モジュールが得られる。   Such a thermoelectric conversion element generates a temperature difference in the surface direction of the thermoelectric conversion layer by a high heat conduction portion provided on the substrate, and converts the heat energy into electric energy. Therefore, even with a thin thermoelectric conversion layer, the distance at which the temperature difference occurs can be lengthened and efficient power generation can be performed. Furthermore, since the thermoelectric conversion layer can be formed into a sheet, a thermoelectric conversion module that is excellent in flexibility and easy to install on a curved surface or the like can be obtained.

特許第3981738号公報Japanese Patent No. 3981738 特開2011−35203号公報JP 2011-35203 A

このような高熱伝導部と低熱伝導部とを有する基板を用い、熱電変換層の面方向に温度差を生じさせて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子では、熱電変換層を薄くできる。以下、このような熱電変換素子を、『in plane型の熱電変換素子』とも言う。
この点を考慮すると、in plane型の熱電変換素子は、生産性やコスト等の点で印刷や塗布法などを利用して熱電変換層を形成するのが好ましい。さらに、印刷や塗布法によって熱電変換層を形成する際には、熱電変換材料として有機材料を利用するのが好ましい。
In a thermoelectric conversion element that uses a substrate having such a high heat conduction part and a low heat conduction part and generates a temperature difference in the surface direction of the thermoelectric conversion layer to convert thermal energy into electric energy, the thermoelectric conversion layer can be made thin. Hereinafter, such a thermoelectric conversion element is also referred to as an “in plane type thermoelectric conversion element”.
In consideration of this point, it is preferable that the in-plane type thermoelectric conversion element is formed with a thermoelectric conversion layer by using printing or a coating method in terms of productivity and cost. Furthermore, when the thermoelectric conversion layer is formed by printing or coating, it is preferable to use an organic material as the thermoelectric conversion material.

良好な熱電変換特性を得られる有機材料としては、カーボンナノチューブやグラフェンなどのナノ炭素材料が知られている。
また、ナノ炭素材料を用いて熱電変換層を形成する場合に、良好な熱電変換性能を得るためには、ドーパント(ドープ剤)を使用するのが好ましい。
Nanocarbon materials such as carbon nanotubes and graphene are known as organic materials that can obtain good thermoelectric conversion characteristics.
Moreover, when forming a thermoelectric conversion layer using a nanocarbon material, in order to acquire favorable thermoelectric conversion performance, it is preferable to use a dopant (doping agent).

ところが、本発明者らの検討によれば、ナノ炭素材料を用いて熱電変換層を形成する場合には、ドーパントの種類によっては、十分な熱電変換性能を得られない場合も多い。
また、ドーピングしたナノ炭素材料からなる熱電変換層を有するin plane型の熱電変換素子では、良好な熱電変換性能が得られたとしても、素子の抵抗値の経時安定性が低いなど、電気的安定性が不十分で、経時によって性能が劣化する場合も多い。加えて、本発明者らは、この点について、さらに検討した結果、ドーピングしたナノ炭素材料からなる熱電変換層を有するin plane型の熱電変換素子では、ドーパントによる電極等の腐食によって、電気的安定性が損なわれることも知見した。
However, according to studies by the present inventors, when a thermoelectric conversion layer is formed using a nanocarbon material, sufficient thermoelectric conversion performance may not be obtained depending on the type of dopant.
Also, in-plane type thermoelectric conversion elements having a thermoelectric conversion layer made of doped nanocarbon material, even if good thermoelectric conversion performance is obtained, the stability of the resistance value of the element is low. In many cases, the performance is insufficient and the performance deteriorates with time. In addition, as a result of further studies on this point, the present inventors have found that an in-plane type thermoelectric conversion element having a thermoelectric conversion layer made of a doped nanocarbon material is electrically stable due to corrosion of the electrode by a dopant. It was also found that sex was impaired.

本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、ナノ炭素材料からなる熱電変換層を有し、かつ、高熱伝導部と低熱伝導部とを有する基板等を用いることにより、熱電変換層の面方向に温度差を生じさせて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子において、良好な熱電変換性能を有し、さらに、電気的安定性にも優れる熱電変換素子、および、この熱電変換素子を用いる熱電変換モジュールを提供することにある。   An object of the present invention is to solve such problems of the prior art, and to use a substrate having a thermoelectric conversion layer made of a nanocarbon material and having a high heat conduction part and a low heat conduction part. Therefore, in the thermoelectric conversion element that generates a temperature difference in the surface direction of the thermoelectric conversion layer and converts the heat energy into electric energy, the thermoelectric conversion element has good thermoelectric conversion performance and is also excellent in electrical stability. And it is providing the thermoelectric conversion module using this thermoelectric conversion element.

この目的を達成するために、本発明の熱電変換素子は、面方向の少なくとも一部に他の領域よりも熱伝導率が高い第1高熱伝導部を有する基板と、
基板の上に形成される、ナノ炭素材料および有機酸を含有する熱電変換層と、
熱電変換層の上に形成される低熱伝導層と、
低熱伝導層に設けられる、低熱伝導層よりも熱伝導率が高く、かつ、面方向において第1高熱伝導部と完全に重複しない第2高熱伝導部と、
面方向に熱電変換層を挟むように熱電変換層に接続される一対の電極と、を有することを特徴とする熱電変換素子を提供する。
In order to achieve this object, the thermoelectric conversion element of the present invention includes a substrate having a first high thermal conductivity portion having a thermal conductivity higher than that of other regions in at least a part of the surface direction,
A thermoelectric conversion layer containing a nanocarbon material and an organic acid, formed on the substrate;
A low thermal conductive layer formed on the thermoelectric conversion layer;
A second high thermal conductivity portion provided in the low thermal conductivity layer, having a thermal conductivity higher than that of the low thermal conductivity layer and not completely overlapping with the first high thermal conductivity portion in the plane direction;
A thermoelectric conversion element comprising a pair of electrodes connected to the thermoelectric conversion layer so as to sandwich the thermoelectric conversion layer in a plane direction is provided.

このような本発明の熱電変換素子において、ナノ炭素材料がカーボンナノチューブであるのが好ましい。
また、ナノ炭素材料が単層カーボンナノチューブであるのが好ましい。
また、有機酸がカルボン酸であるのが好ましい。
また、有機酸が芳香族カルボン酸であるのが好ましい。
また、有機酸の沸点が200℃以上であるのが好ましい。
また、有機酸の融点が100℃以上であるのが好ましい。
また、有機酸が有機酸ポリマーであるのが好ましい。
さらに、有機酸ポリマーが多糖またはその誘導体であるのが好ましい。
In such a thermoelectric conversion element of the present invention, the nanocarbon material is preferably a carbon nanotube.
The nanocarbon material is preferably a single-walled carbon nanotube.
The organic acid is preferably a carboxylic acid.
The organic acid is preferably an aromatic carboxylic acid.
Moreover, it is preferable that the boiling point of an organic acid is 200 degreeC or more.
Moreover, it is preferable that melting | fusing point of an organic acid is 100 degreeC or more.
The organic acid is preferably an organic acid polymer.
Furthermore, the organic acid polymer is preferably a polysaccharide or a derivative thereof.

また、本発明の熱電変換モジュールは、本発明の熱電変換素子を、複数、直列に接続してなる熱電変換モジュールを提供する。   The thermoelectric conversion module of the present invention provides a thermoelectric conversion module formed by connecting a plurality of the thermoelectric conversion elements of the present invention in series.

このような本発明の熱電変換素子および熱電変換モジュールは、良好な熱電変換性能を有し、さらに、電極等の腐食も防止できるので電気的安定性にも優れる。   Such a thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module of the present invention have excellent thermoelectric conversion performance, and are excellent in electrical stability because corrosion of electrodes and the like can be prevented.

図1(A)は、本発明の熱電変換素子の一例を概念的に示す上面図、図1(B)は、本発明の熱電変換素子の一例を概念的に示す正面図、図1(C)は、本発明の熱電変換素子の一例を概念的に示す底面図である。1A is a top view conceptually showing an example of the thermoelectric conversion element of the present invention, FIG. 1B is a front view conceptually showing an example of the thermoelectric conversion element of the present invention, and FIG. ) Is a bottom view conceptually showing an example of the thermoelectric conversion element of the present invention. 図2(A)〜図2(C)は、本発明の熱電変換素子の別の例を説明するための概念図である。2A to 2C are conceptual diagrams for explaining another example of the thermoelectric conversion element of the present invention. 図3(A)〜図3(D)は、本発明の熱電変換モジュールの一例を説明するための概念図である。FIG. 3A to FIG. 3D are conceptual diagrams for explaining an example of the thermoelectric conversion module of the present invention. 図4(A)は、本発明の熱電変換素子に用いられる基板の別の例を示す概念図で、図4(B)は、本発明の熱電変換モジュールに用いられる基板の別の例を示す概念図である。FIG. 4A is a conceptual diagram showing another example of the substrate used in the thermoelectric conversion element of the present invention, and FIG. 4B shows another example of the substrate used in the thermoelectric conversion module of the present invention. It is a conceptual diagram. 本発明の実施例で作製した熱電変換素子を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the thermoelectric conversion element produced in the Example of this invention.

以下、本発明の熱電変換素子および熱電変換モジュールについて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む。
Hereinafter, the thermoelectric conversion element and the thermoelectric conversion module of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
In addition, in this specification, the numerical value range represented using "to" includes the numerical value described before and behind "to" as a lower limit and an upper limit.

図1(A)〜図1(C)に、本発明の熱電変換素子の一例を概念的に示す。なお、図1(A)は上面図、図1(B)は正面図、図1(C)は底面図である。上面図は、熱電変換素子を、図1(B)の紙面上方から見た図である。正面図は、熱電変換素子を、後述する基板等の面方向から見た図である。底面図は、熱電変換素子を、図1(B)を紙面下方から見た図である。   FIG. 1A to FIG. 1C conceptually show an example of the thermoelectric conversion element of the present invention. 1A is a top view, FIG. 1B is a front view, and FIG. 1C is a bottom view. The top view is a view of the thermoelectric conversion element as viewed from above the sheet of FIG. A front view is the figure which looked at the thermoelectric conversion element from surface directions, such as a substrate mentioned below. The bottom view is a view of the thermoelectric conversion element as viewed from the lower side of FIG. 1B.

図1(A)〜図1(C)に示すように、熱電変換素子10は、基本的に、第1基板12と、熱電変換層16と、粘着層18と、第2基板20と、第1電極26および第2電極28とを有して構成される。
具体的には、第1基板12の表面には、熱電変換層16が形成される。また、第1基板12の表面には、熱電変換層16を第1基板12の基板面方向に挟むようにして、熱電変換層16に接続して第1電極26および第2電極28(電極対)が形成される。さらに、第1基板12、熱電変換層16、第1電極26および第2電極28を覆うように、粘着層18が設けられ、この粘着層18には、第2基板20が貼着される。
以下、第1基板12の基板面方向を、単に『面方向』とも言う。
As shown in FIGS. 1A to 1C, the thermoelectric conversion element 10 basically includes a first substrate 12, a thermoelectric conversion layer 16, an adhesive layer 18, a second substrate 20, The first electrode 26 and the second electrode 28 are included.
Specifically, the thermoelectric conversion layer 16 is formed on the surface of the first substrate 12. Further, on the surface of the first substrate 12, the first electrode 26 and the second electrode 28 (electrode pair) are connected to the thermoelectric conversion layer 16 so as to sandwich the thermoelectric conversion layer 16 in the substrate surface direction of the first substrate 12. It is formed. Furthermore, an adhesive layer 18 is provided so as to cover the first substrate 12, the thermoelectric conversion layer 16, the first electrode 26, and the second electrode 28, and the second substrate 20 is attached to the adhesive layer 18.
Hereinafter, the substrate surface direction of the first substrate 12 is also simply referred to as “surface direction”.

図1(A)〜図1(C)に示すように、第1基板12は、低熱伝導部12aおよび低熱伝導部12aよりも熱伝導率が高い高熱伝導部12bを有する。同様に、第2基板20も、低熱伝導部20aおよび低熱伝導部20aよりも熱伝導率が高い高熱伝導部20bを有する。熱電変換素子10においては、第1基板12が本発明における基板に、第1基板12の高熱伝導部12bが本発明における第1高熱伝導部に、第2基板20の低熱伝導部20aが本発明における低熱伝導層に、第2基板20の高熱伝導部20bが本発明における第2高熱伝導部に、それぞれ対応する。
熱電変換素子10において、両基板は、互いの高熱伝導部が、第1電極26と第2電極28との離間方向に異なる位置となるように配置される。第1電極26と第2電極28との離間方向とは、すなわち通電方向である。
熱電変換素子10は、好ましい態様として、粘着層18で貼着される第2基板20を有し、さらに、第1基板12および第2基板20が、共に、低熱伝導部および高熱伝導部を有する。熱電変換素子10は、高熱伝導部および低熱伝導部を有する基板を2枚用い、両基板の高熱伝導部を面方向に異なる位置として、この2枚の基板で熱電変換層を挟持してなる構成を有する。
すなわち、熱電変換素子10は、前述のin plane型の熱電変換素子であって、図示例においては、低熱伝導部と低熱伝導部よりも熱伝導率が高い高熱伝導部とを有する基板を用いることにより、熱電変換層16の面方向に温度差を生じさせて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
As shown in FIGS. 1A to 1C, the first substrate 12 includes a low thermal conductivity portion 12a and a high thermal conductivity portion 12b having a higher thermal conductivity than the low thermal conductivity portion 12a. Similarly, the 2nd board | substrate 20 also has the high heat conduction part 20b whose heat conductivity is higher than the low heat conduction part 20a and the low heat conduction part 20a. In the thermoelectric conversion element 10, the first substrate 12 is the substrate in the present invention, the high heat conduction portion 12b of the first substrate 12 is the first high heat conduction portion in the present invention, and the low heat conduction portion 20a of the second substrate 20 is the present invention. The high heat conduction portion 20b of the second substrate 20 corresponds to the second high heat conduction portion in the present invention.
In the thermoelectric conversion element 10, the two substrates are arranged such that their high heat conduction portions are located at different positions in the separation direction of the first electrode 26 and the second electrode 28. The separation direction between the first electrode 26 and the second electrode 28 is the energization direction.
The thermoelectric conversion element 10 has the 2nd board | substrate 20 stuck by the adhesion layer 18 as a preferable aspect, and also the 1st board | substrate 12 and the 2nd board | substrate 20 have both a low heat conduction part and a high heat conduction part. . The thermoelectric conversion element 10 has a configuration in which two substrates having a high heat conduction portion and a low heat conduction portion are used, and the high heat conduction portions of the two substrates are located at different positions in the plane direction, and the thermoelectric conversion layer is sandwiched between the two substrates. Have
That is, the thermoelectric conversion element 10 is the above-described in-plane type thermoelectric conversion element, and in the illustrated example, a substrate having a low thermal conductivity portion and a high thermal conductivity portion having higher thermal conductivity than the low thermal conductivity portion is used. Thus, a temperature difference can be generated in the surface direction of the thermoelectric conversion layer 16 to convert thermal energy into electric energy.

なお、本発明における高熱伝導部または低熱伝導部とは、隣接する層(隣接する高熱伝導部もしくは低熱伝導部)に対して熱伝導率が高い、もしくは低いことを示す。高熱伝導部と低熱伝導部との熱伝導率の比は、100:1以上が好ましく、500:1以上がより好ましく、1000:1以上がさらに好ましい。   In addition, the high heat conduction part or the low heat conduction part in the present invention indicates that the thermal conductivity is high or low with respect to an adjacent layer (adjacent high heat conduction part or low heat conduction part). The ratio of the thermal conductivity between the high heat conduction part and the low heat conduction part is preferably 100: 1 or more, more preferably 500: 1 or more, and still more preferably 1000: 1 or more.

図示例の熱電変換素子10において、第1基板12および第2基板20は、配置位置、および、表裏や面方向(基板面方向)の向きが異なるのみで、構成は同じである。従って、以下の説明では、第1基板12と第2基板20とを区別する必要が有る場合を除いて、第1基板12を代表例として説明を行う。   In the illustrated thermoelectric conversion element 10, the first substrate 12 and the second substrate 20 have the same configuration except for the arrangement position and the orientation of the front and back surfaces and the surface direction (substrate surface direction). Therefore, in the following description, the first substrate 12 will be described as a representative example, unless the first substrate 12 and the second substrate 20 need to be distinguished.

図示例の熱電変換素子10において、第1基板12(第2基板20)は、低熱伝導部12a(低熱伝導部20a)となる板状物の、一方の面の半分の領域を覆うように、高熱伝導部12b(高熱伝導部20b)を積層してなる構成を有する。すなわち、第1基板12において、高熱伝導部12bは、低熱伝導部12aすなわち第1基板12の半面を覆うように設けられる。
従って、第1基板12の一面は、面方向の半分の領域が低熱伝導部12aで、残りの半分の領域は高熱伝導部12bとなる。また、第1基板12の他方の面は、全面が低熱伝導部12aとなる。熱電変換素子10では、第1基板12の低熱伝導部12aの高熱伝導部12bが形成されていない側の面が、熱電変換層16の形成面となる。
In the illustrated thermoelectric conversion element 10, the first substrate 12 (second substrate 20) covers a region on one half of one surface of the plate-like material that becomes the low thermal conduction portion 12 a (low thermal conduction portion 20 a). It has a configuration in which the high heat conduction part 12b (high heat conduction part 20b) is laminated. In other words, in the first substrate 12, the high thermal conductivity portion 12 b is provided so as to cover the low thermal conductivity portion 12 a, that is, the half surface of the first substrate 12.
Accordingly, on one surface of the first substrate 12, a half region in the surface direction is the low heat conduction portion 12a, and the other half region is the high heat conduction portion 12b. In addition, the other surface of the first substrate 12 is the low thermal conductive portion 12a. In the thermoelectric conversion element 10, the surface of the first substrate 12 on the side where the high heat conduction portion 12 b of the low heat conduction portion 12 a is not formed becomes the formation surface of the thermoelectric conversion layer 16.

なお、本発明の熱電変換素子において、第1基板12は、低熱伝導部の表面に高熱伝導部を積層してなる構成以外にも、各種の構成が利用可能である。例えば、第1基板は、図4(A)に概念的に示すように、低熱伝導部12aとなる板状物の、一方の面の半分の領域に凹部を形成して、この凹部に、表面が均一となるように高熱伝導部12bを組み込んでなる構成でもよい。   In addition, in the thermoelectric conversion element of this invention, the 1st board | substrate 12 can utilize various structures other than the structure formed by laminating | stacking a high heat conduction part on the surface of a low heat conduction part. For example, as conceptually shown in FIG. 4 (A), the first substrate has a concave portion formed in a half region of one surface of the plate-like material that becomes the low heat conducting portion 12a, The structure which incorporates the high heat conductive part 12b so that may become uniform may be sufficient.

低熱伝導部12aは、ガラス板、セラミックス板、プラスチックフィルムなどの樹脂材料(高分子材料)からなるフィルムなど、絶縁性を有し、かつ、熱電変換層16や第1電極26等の形成等に対する十分な耐熱性を有するものであれば、各種の材料からなる物が利用可能である。
好ましくは、低熱伝導部12aには、樹脂材料からなるフィルムが利用される。低熱伝導部12aに樹脂材料からなるフィルム(シート状物/板状物)を用いることにより、軽量化やコストの低下を計ると共に、可撓性を有する熱電変換素子10が形成可能となり、好ましい。
The low heat conduction part 12a has insulation properties such as a film made of a resin material (polymer material) such as a glass plate, a ceramic plate, and a plastic film, and is suitable for the formation of the thermoelectric conversion layer 16, the first electrode 26, and the like. Any material having various heat resistances can be used as long as it has sufficient heat resistance.
Preferably, a film made of a resin material is used for the low thermal conductive portion 12a. By using a film (sheet-like / plate-like) made of a resin material for the low thermal conductive portion 12a, it is possible to reduce the weight and cost and to form the thermoelectric conversion element 10 having flexibility, which is preferable.

低熱伝導部12aに利用可能な樹脂材料としては、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンイソフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ(1,4−シクロヘキシレンジメチレンテレフタレート)、ポリエチレン−2,6−フタレンジカルボキシレート等のポリエステル樹脂、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエーテルスルホン、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、トリアセチルセルロース(TAC)等の樹脂、ガラスエポキシ、液晶性ポリエステル等が例示される。
中でも、熱伝導率、耐熱性、耐溶剤性、入手の容易性や経済性等の点で、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等からなるフィルムは、好適に利用される。
Specific examples of the resin material that can be used for the low thermal conductive portion 12a include polyethylene terephthalate, polyethylene isophthalate, polyethylene naphthalate, polybutylene terephthalate, poly (1,4-cyclohexylenedimethylene terephthalate), polyethylene-2, Polyester resins such as 6-phthalenedicarboxylate, polyimide, polycarbonate, polypropylene, polyethersulfone, cycloolefin polymer, polyetheretherketone (PEEK), triacetylcellulose (TAC) resin, glass epoxy, liquid crystalline polyester, etc. Is exemplified.
Among them, a film made of polyimide, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, or the like is suitably used in terms of thermal conductivity, heat resistance, solvent resistance, availability, economy, and the like.

高熱伝導部12bは、低熱伝導部12aよりも熱伝導率が高いものであれば、各種の材料からなるフィルムや金属箔が例示される。
具体的には、熱伝導率等の点で、金、銀、銅、アルミニウム等の各種の金属が例示される。中でも、熱伝導率、経済性等の点で、銅およびアルミニウムは好適に利用される。
As long as the high heat conductive part 12b has a heat conductivity higher than the low heat conductive part 12a, the film and metal foil which consist of various materials are illustrated.
Specifically, various metals such as gold, silver, copper, and aluminum are exemplified in terms of thermal conductivity and the like. Among these, copper and aluminum are preferably used in terms of thermal conductivity, economy, and the like.

なお、本発明において、第1基板12の厚さ、低熱伝導部12aの厚さ、高熱伝導部12bの厚さ等は、高熱伝導部12bおよび低熱伝導部12aの形成材料、熱電変換素子10の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。なお、第1基板12の厚さとは、高熱伝導部12bが無い領域の低熱伝導部12aの厚さである。本発明者らの検討によれば、第1基板12の厚さは、2〜100μmが好ましく、2〜50μmがより好ましい。
また、第1基板12の面方向の大きさ、第1基板12における高熱伝導部12bの面方向の面積率等も、低熱伝導部12aおよび高熱伝導部12bの形成材料、熱電変換素子10の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。なお、面方向の大きさや面積率とは、すなわち、基板面と直交する方向から見た際の大きさや面積率である。
In the present invention, the thickness of the first substrate 12, the thickness of the low thermal conductive portion 12a, the thickness of the high thermal conductive portion 12b, etc. are the same as the forming material of the high thermal conductive portion 12b and the low thermal conductive portion 12a. What is necessary is just to set suitably according to a magnitude | size. In addition, the thickness of the 1st board | substrate 12 is the thickness of the low heat conductive part 12a of the area | region which does not have the high heat conductive part 12b. According to the study by the present inventors, the thickness of the first substrate 12 is preferably 2 to 100 μm, and more preferably 2 to 50 μm.
In addition, the size in the surface direction of the first substrate 12, the area ratio in the surface direction of the high heat conduction portion 12 b in the first substrate 12, and the like are the material for forming the low heat conduction portion 12 a and the high heat conduction portion 12 b, and the size of the thermoelectric conversion element 10. What is necessary is just to set suitably according to this. The size and area ratio in the surface direction are the size and area ratio when viewed from the direction orthogonal to the substrate surface.

さらに、第1基板12における高熱伝導部12bの面方向の位置も、図示例に限定されず、各種の位置が利用可能である。
例えば、第1基板12において、高熱伝導部12bは、面方向において低熱伝導部12aに内包されてもよい。あるいは、高熱伝導部12bは、面方向において、一部を第1基板12の端部に位置し、それ以外の領域を低熱伝導部12aに内包されてもよい。
さらに、第1基板12は、面方向に複数の高熱伝導部12bを有してもよい。
Furthermore, the position of the first substrate 12 in the surface direction of the high thermal conductive portion 12b is not limited to the illustrated example, and various positions can be used.
For example, in the 1st board | substrate 12, the high heat conductive part 12b may be included in the low heat conductive part 12a in the surface direction. Alternatively, a part of the high heat conduction unit 12b may be located at the end of the first substrate 12 in the plane direction, and the other region may be included in the low heat conduction unit 12a.
Further, the first substrate 12 may have a plurality of high heat conducting portions 12b in the surface direction.

なお、図1(A)〜図1(C)に示す熱電変換素子10は、第1基板12と第2基板20との間での温度差を生じ易い好ましい態様として、第1基板12および第2基板20は、共に、高熱伝導部12bおよび高熱伝導部20bを積層方向の外側に位置している。
しかしながら、本発明は、これ以外にも、第1基板12および第2基板20が、共に、高熱伝導部12bおよび高熱伝導部20bを積層方向の内側に位置する構成でもよい。あるいは、第1基板12が高熱伝導部12bを積層方向の外側に位置し、第2基板20が高熱伝導部20bを積層方向の内側に位置するような構成でもよい。
なお、高熱伝導部が金属等の導電性を有する材料で形成され、かつ、高熱伝導部が積層方向の内側に配置される構成において、高熱伝導部と、第1電極26、第2電極28および熱電変換層16の少なくとも1つとが電気的に接続されてしまう場合には、高熱伝導部と、第1電極26、第2電極28および熱電変換層16の少なくとも1つとの絶縁性を確保するために、間に絶縁層を設けてもよい。
In addition, the thermoelectric conversion element 10 shown to FIG. 1 (A)-FIG.1 (C) is the 1st board | substrate 12 and the 1st board | substrate as a preferable aspect which tends to produce the temperature difference between the 1st board | substrate 12 and the 2nd board | substrate 20. In the two substrates 20, the high heat conduction part 12 b and the high heat conduction part 20 b are both positioned outside in the stacking direction.
However, the present invention may have a configuration in which the first substrate 12 and the second substrate 20 both have the high heat conduction portion 12b and the high heat conduction portion 20b located inside in the stacking direction. Alternatively, the first substrate 12 may be configured such that the high heat conductive portion 12b is positioned outside in the stacking direction, and the second substrate 20 is positioned such that the high heat conductive portion 20b is positioned inside in the stacking direction.
In the configuration in which the high heat conduction part is formed of a conductive material such as metal and the high heat conduction part is disposed inside the stacking direction, the high heat conduction part, the first electrode 26, the second electrode 28, and In a case where at least one of the thermoelectric conversion layers 16 is electrically connected, in order to ensure insulation between the high heat conduction portion and at least one of the first electrode 26, the second electrode 28, and the thermoelectric conversion layer 16. In addition, an insulating layer may be provided therebetween.

熱電変換素子10において、第1基板12の全面が低熱伝導部12aである面には、熱電変換層16が形成される。
また、熱電変換層16の上には、粘着層18を介して第2基板20が設けられる。第2基板20は、低熱伝導部20aの高熱伝導部20bが形成されていない側の面を熱電変換層16に向けて設けられる。
両基板の高熱伝導部12bおよび20bは、熱電変換層16の面方向に効率的に温度差を生じさせるように配置される。即ち、両基板の高熱伝導部12bおよび20bは、熱電変換層16に対して、面方向に異なる位置に配置されるのが好ましく、両基板の低熱伝導部と高熱伝導部との境界を、熱電変換層16の面方向の中心に一致して設けることがより好ましく、この境界が電極の離間方向に離間するように配置されるのがさらに好ましい。
また、熱電変換層16には、面方向に挟むように、第1電極26および第2電極28からなる電極対が接続される。
In the thermoelectric conversion element 10, the thermoelectric conversion layer 16 is formed on the surface where the entire surface of the first substrate 12 is the low thermal conductive portion 12 a.
In addition, the second substrate 20 is provided on the thermoelectric conversion layer 16 via the adhesive layer 18. The second substrate 20 is provided with the surface of the low heat conductive portion 20 a on which the high heat conductive portion 20 b is not formed facing the thermoelectric conversion layer 16.
The high thermal conductive portions 12b and 20b of both the substrates are arranged so as to efficiently generate a temperature difference in the surface direction of the thermoelectric conversion layer 16. That is, it is preferable that the high heat conductive portions 12b and 20b of both the substrates are arranged at different positions in the plane direction with respect to the thermoelectric conversion layer 16, and the boundary between the low heat conductive portion and the high heat conductive portion of both the substrates is More preferably, the conversion layer 16 is provided so as to coincide with the center of the surface direction, and it is further preferable that the boundary is spaced apart in the electrode separation direction.
The thermoelectric conversion layer 16 is connected to an electrode pair including the first electrode 26 and the second electrode 28 so as to be sandwiched in the surface direction.

熱電変換素子は、例えば、熱源との接触などによる加熱によって温度差が生じることにより、この温度差に応じて、熱電変換層の内部において、この温度差の方向のキャリア密度に差が生じ、電力が発生する。
例えば、第1基板12側に熱源を設け、第1基板12の高熱伝導部12bと、第2基板20の高熱伝導部20bとの間に温度差を生じさせることにより、熱電変換層16の内部において、この温度差の方向のキャリア密度に差が生じ、発電する。また、第1電極26および第2電極28に配線を接続することにより、加熱によって発生した電力(電気エネルギー)が取り出される。
For example, a thermoelectric conversion element generates a temperature difference due to heating due to contact with a heat source or the like, and accordingly, in the thermoelectric conversion layer, a difference occurs in the carrier density in the direction of the temperature difference in accordance with the temperature difference. Will occur.
For example, a heat source is provided on the first substrate 12 side, and a temperature difference is generated between the high heat conductive portion 12b of the first substrate 12 and the high heat conductive portion 20b of the second substrate 20, thereby causing the inside of the thermoelectric conversion layer 16 to be inside. Therefore, a difference occurs in the carrier density in the direction of the temperature difference, and power is generated. Further, by connecting wiring to the first electrode 26 and the second electrode 28, electric power (electric energy) generated by heating is taken out.

本発明の熱電変換素子10において、熱電変換層16は、カーボンナノチューブやグラフェン等のナノ炭素材料と、有機酸とを含有する。以下、カーボンナノチューブを『CNT』とも言う。
本発明の熱電変換素子10は、熱電変換層16がナノ炭素材料と有機酸とを含有することにより、良好な熱電変換性能を有すると共に、第1電極26および第2電極28等の腐食も防止して、電気的安定性に優れる熱電変換素子10を実現している。なお、本発明において、電気的安定性とは、熱電変換素子10の抵抗の経時安定性のことである。
In the thermoelectric conversion element 10 of the present invention, the thermoelectric conversion layer 16 contains a nanocarbon material such as carbon nanotube or graphene, and an organic acid. Hereinafter, the carbon nanotube is also referred to as “CNT”.
In the thermoelectric conversion element 10 of the present invention, the thermoelectric conversion layer 16 contains a nanocarbon material and an organic acid, so that it has good thermoelectric conversion performance and also prevents corrosion of the first electrode 26, the second electrode 28, and the like. Thus, the thermoelectric conversion element 10 having excellent electrical stability is realized. In the present invention, the electrical stability is the temporal stability of the resistance of the thermoelectric conversion element 10.

前述のように、高熱伝導部と低熱伝導部とを有する基板を用いて、熱電変換層の面方向に温度差を生じさせて熱電変換を行うin plane型の熱電変換素子は、熱電変換層を薄くできる。従って、生産性やコスト等を考慮すると、印刷法や塗布法によって熱電変換層を形成するのが有利である。
印刷法や塗布法による熱電変換層の形成に好適な熱電変換材料としては、有機材料が考えられる。中でも、CNTやグラフェン等のナノ炭素材料は、良好な熱電変換特性を有する材料として知られている。
As described above, an in-plane type thermoelectric conversion element that performs thermoelectric conversion by generating a temperature difference in the surface direction of the thermoelectric conversion layer using a substrate having a high heat conduction portion and a low heat conduction portion is provided with a thermoelectric conversion layer. Can be thin. Therefore, in consideration of productivity and cost, it is advantageous to form the thermoelectric conversion layer by a printing method or a coating method.
An organic material can be considered as a thermoelectric conversion material suitable for forming a thermoelectric conversion layer by a printing method or a coating method. Among these, nanocarbon materials such as CNT and graphene are known as materials having good thermoelectric conversion characteristics.

熱電変換層にナノ炭素材料を用いる場合には、ドーピングを行うのが好ましい。また、半導体装置において、ドーパントとして酸を用いることは周知のことである。
ところが、本発明者らの検討によれば、熱電変換層にナノ炭素材料を用いた場合には、ドーパントの種類によっては、熱電変換性能を向上することができない場合も多く、かつ、良好な熱電変換性能が得られても、電極の腐食によって、熱電変換素子の電気的安定性が低い場合も多い。
When a nanocarbon material is used for the thermoelectric conversion layer, doping is preferably performed. Further, it is well known that an acid is used as a dopant in a semiconductor device.
However, according to the study by the present inventors, when a nanocarbon material is used for the thermoelectric conversion layer, the thermoelectric conversion performance cannot often be improved depending on the type of dopant, and a good thermoelectric property can be obtained. Even if conversion performance is obtained, the electrical stability of the thermoelectric conversion element is often low due to corrosion of the electrode.

これに対し、本発明者らの検討によれば、ドーパントとして有機酸、特にカルボン酸を用いることにより、有機酸が酸性度の弱いプロトン酸(p型のドーパント)として機能することで、導電性を向上できる。
また、有機酸は、ナノ炭素材料の表面に留まり易く、ナノ炭素材料の表面で弱い電位受容層として機能する。そのため、ドーパントとして有機酸を用いることにより、ナノ炭素材料の界面での熱励起効率を促進させて、熱電力を向上し、その結果、高い熱電変換性能が得られる。さらに、熱電変換素子では、常識的に熱電変換層の導電率と熱起電力とはトレードオフの関係にあるが、ドーパントとして有機酸、特にカルボン酸、中でも特に芳香族カルボン酸または有機カルボン酸ポリマーを用いることで、作用機構によって、導電性と熱起電力とを両立して得ることができる。
加えて、有機酸は、酸性度が低く、かつ、前述のようにナノ炭素材料の表面に留まる。そのため、腐食性が低く、抵抗増加の要因である電極の腐食も防止できるので、電気的安定性も良好な熱電変換素子を得ることができる。
On the other hand, according to the study by the present inventors, by using an organic acid, particularly a carboxylic acid, as a dopant, the organic acid functions as a proton acid (p-type dopant) having a low acidity, thereby providing conductivity. Can be improved.
In addition, the organic acid tends to stay on the surface of the nanocarbon material and functions as a weak potential receiving layer on the surface of the nanocarbon material. Therefore, by using an organic acid as a dopant, the thermal excitation efficiency at the interface of the nanocarbon material is promoted to improve the thermal power, and as a result, high thermoelectric conversion performance is obtained. Furthermore, in the thermoelectric conversion element, the electric conductivity of the thermoelectric conversion layer and the thermoelectromotive force are in a trade-off relationship, but organic acids, particularly carboxylic acids, especially aromatic carboxylic acids or organic carboxylic acid polymers are used as dopants. By using, it is possible to obtain both conductivity and thermoelectromotive force by the action mechanism.
In addition, the organic acid has low acidity and remains on the surface of the nanocarbon material as described above. Therefore, the corrosion of the electrode, which is low in corrosivity and causes an increase in resistance, can be prevented, so that a thermoelectric conversion element with good electrical stability can be obtained.

前述のように、本発明の熱電変換素子10において、熱電変換層16は、ナノ炭素材料と有機酸とを含有する。
ナノ炭素材料としては、具体的には、CNT、カーボンナノファイバー、グラファイト、グラフェン、カーボンナノ粒子等が例示される。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
中でも、熱電特性がより良好となる理由から、CNTが好ましく利用される。
As described above, in the thermoelectric conversion element 10 of the present invention, the thermoelectric conversion layer 16 contains a nanocarbon material and an organic acid.
Specific examples of the nanocarbon material include CNT, carbon nanofiber, graphite, graphene, and carbon nanoparticle. These may be used alone or in combination of two or more.
Among these, CNT is preferably used for the reason that the thermoelectric characteristics are better.

CNTには、1枚の炭素膜(グラフェン・シート)が円筒状に巻かれた単層CNT、2枚のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた2層CNT、及び複数のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた多層CNTがある。本発明においては、単層CNT、2層CNT、多層CNTを各々単独で用いてもよく、2種以上を併せて用いてもよい。特に、導電性及び半導体特性において優れた性質を持つ単層CNTおよび2層CNTを用いることが好ましく、単層CNTを用いることがより好ましい。
単層CNTは、半導体性のものであっても、金属性のものであってもよく、両者を併せて用いてもよい。半導体性CNTと金属性CNTとを両方を用いる場合、組成物中の両者の含有比率は、組成物の用途に応じて適宜調整することができる。また、CNTには金属などが内包されていてもよく、フラーレン等の分子が内包されたものを用いてもよい。
A CNT is a single-walled CNT in which a single carbon film (graphene sheet) is wound in a cylindrical shape, a double-walled CNT in which two graphene sheets are wound in a concentric shape, and a plurality of graphene sheets in a concentric circle There are multi-walled CNTs wound in a shape. In the present invention, single-walled CNTs, double-walled CNTs, and multilayered CNTs may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. In particular, it is preferable to use single-walled CNT and double-walled CNT having excellent properties in terms of conductivity and semiconductor properties, and more preferably single-walled CNT.
Single-walled CNTs may be semiconducting or metallic, and both may be used in combination. When both semiconducting CNT and metallic CNT are used, the content ratio of both in the composition can be appropriately adjusted according to the use of the composition. The CNT may contain a metal or the like, or may contain a molecule such as fullerene.

本発明で用いるCNTの平均長さは特に限定されず、組成物の用途に応じて適宜選択することができる。具体的には、電極間距離にもよるが、製造容易性、成膜性、導電性等の観点から、CNTの平均長さが0.01〜2000μmが好ましく、0.1〜1000μmがより好ましく、1〜1000μmが特に好ましい。   The average length of the CNTs used in the present invention is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the use of the composition. Specifically, although it depends on the distance between the electrodes, the average length of the CNT is preferably 0.01 to 2000 μm, more preferably 0.1 to 1000 μm from the viewpoints of manufacturability, film formability, conductivity, and the like. 1 to 1000 μm is particularly preferable.

本発明で用いるCNTの直径は特に限定されないが、耐久性、透明性、成膜性、導電性等の観点から、0.4〜100nmが好ましく、50nm以下がより好ましく、15nm以下が特に好ましい。
特に、単層CNTを用いる場合には、0.5〜2.2nmが好ましく、は1.0〜2.2nmがより好ましい。
Although the diameter of CNT used by this invention is not specifically limited, From viewpoints of durability, transparency, film-forming property, electroconductivity, etc., 0.4-100 nm is preferable, 50 nm or less is more preferable, and 15 nm or less is especially preferable.
In particular, when single-walled CNT is used, 0.5 to 2.2 nm is preferable, and 1.0 to 2.2 nm is more preferable.

得られた導電性組成物中に含まれるCNTには、欠陥のあるCNTが含まれていることがある。このようなCNTの欠陥は、組成物の導電性を低下させるため、低減化することが好ましい。組成物中のCNTの欠陥の量は、ラマンスペクトルのG−バンドとD−バンドの比率G/Dで見積もることができる。G/D比が高いほど欠陥の量が少ないCNT材料であると推定できる。本発明においては、組成物のG/D比が10以上であるのが好ましく、30以上であるのがより好ましい。   CNTs contained in the obtained conductive composition may contain defective CNTs. Such CNT defects are preferably reduced in order to reduce the conductivity of the composition. The amount of CNT defects in the composition can be estimated by the ratio G / D of the G-band and D-band of the Raman spectrum. It can be estimated that the higher the G / D ratio, the less the amount of defects, the CNT material. In the present invention, the G / D ratio of the composition is preferably 10 or more, and more preferably 30 or more.

また、CNTを修飾あるいは処理したCNTも利用可能である。修飾あるいは処理方法としては、フェロセン誘導体や窒素置換フラーレン(アザフラーレン)を内包する方法、イオンドーピング法によりアルカリ金属(カリウムなど)や金属元素(インジウムなど)をCNTにドープする方法、真空中でCNTを加熱する方法等が例示される。
また、CNTを利用する場合には、単層CNTや多層CNTの他に、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノビーズ、グラファイト、グラフェン、アモルファスカーボン等のナノカーボンが含まれてもよい。
Also, CNTs modified or treated with CNTs can be used. Modification or treatment methods include a method of including a ferrocene derivative or nitrogen-substituted fullerene (azafullerene), a method of doping an alkali metal (such as potassium) or a metal element (such as indium) into the CNT by an ion doping method, or CNT in a vacuum. The method etc. which heat this are illustrated.
When CNT is used, in addition to single-walled CNT and multi-walled CNT, nanocarbon such as carbon nanohorn, carbon nanocoil, carbon nanobead, graphite, graphene, and amorphous carbon may be included.

前述のように、熱電変換層16は、このようなナノ炭素材料に加えて、有機酸を含む。
有機酸とは、酸性を示す有機化合物類の総称であり、具体的には、カルボン酸、スルホン酸、スルフィン酸、スルフェン酸、フェノール、エノール、チオール、ホスホン酸、リン酸、ボロン酸、イミド酸、ヒドラゾン酸、ヒドロキシム酸、ヒドロキシサム酸等の、酸性を示す官能基を有する低分子有機酸化合物や、酸性を示す官能基と疎水基とをそれぞれ少なくとも1つ有する低分子有機酸化合物、あるいは、分子内に酸性を示す官能基を少なくとも1つ有し、繰返し単位構造を有する有機酸ポリマーである。以下、酸性を示す官能基を『酸性官能基』とも言う。
酸性官能基は如何なる公知の構造を有していてもよく、例えば、カルボキシル基、チオカルボキシル基、ジチオカルボキシル基、メルカプトカルボニル基、ヒドロペルオキシ基、スルホ基、スルフィノ基、スルフェノ基、フェノール性水酸基、チオール基、リン酸基、ホスフィニコ基、ホスホノ基、セレノノ基、セレニノ基、セレネノ基、アルシニコ基、アルソノ基、ボロン酸基、ボラン酸基等が挙げられる。これら酸性官能基の中でも、熱電変換性能および/または電気的安定性が高いという本発明の効果がより優れる点で、カルボキシル基、リン酸基、スルホ基、チオール基、フェノール性水酸基、ボロン酸基がより好ましく、カルボキシル基がさらに好ましい。
As described above, the thermoelectric conversion layer 16 includes an organic acid in addition to such a nanocarbon material.
Organic acid is a general term for organic compounds that exhibit acidity, and specifically includes carboxylic acid, sulfonic acid, sulfinic acid, sulfenic acid, phenol, enol, thiol, phosphonic acid, phosphoric acid, boronic acid, imidoic acid. , A low molecular organic acid compound having a functional group showing acidity, such as hydrazone acid, hydroxymic acid, hydroxysamic acid, etc., a low molecular organic acid compound having at least one functional group showing hydrophobicity and a hydrophobic group, or An organic acid polymer having at least one functional group showing acidity in the molecule and having a repeating unit structure. Hereinafter, the functional group showing acidity is also referred to as “acidic functional group”.
The acidic functional group may have any known structure, for example, carboxyl group, thiocarboxyl group, dithiocarboxyl group, mercaptocarbonyl group, hydroperoxy group, sulfo group, sulfino group, sulfeno group, phenolic hydroxyl group, Examples include a thiol group, a phosphate group, a phosphinico group, a phosphono group, a selenono group, a selenino group, a seleneno group, an arsinico group, an arsono group, a boronic acid group, and a boranoic acid group. Among these acidic functional groups, a carboxyl group, a phosphate group, a sulfo group, a thiol group, a phenolic hydroxyl group, and a boronic acid group are more excellent in the effect of the present invention that thermoelectric conversion performance and / or electrical stability is high. Is more preferable, and a carboxyl group is more preferable.

有機酸に含まれる酸性官能基の数は特に制限されず、有機酸一分子当たり少なくとも1個含まれていればよいが、複数含まれていても構わない。有機酸中の酸性官能基の数の好適範囲としては、1〜10個が好ましく、1〜6個がより好ましい。
有機酸一分子に複数の酸性官能基が含まれている場合には、これら複数の酸性官能基は同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。
The number of acidic functional groups contained in the organic acid is not particularly limited as long as at least one acidic functional group is contained per molecule of the organic acid, but a plurality of acidic functional groups may be contained. The preferred range of the number of acidic functional groups in the organic acid is preferably 1-10, more preferably 1-6.
When a plurality of acidic functional groups are included in one organic acid molecule, the plurality of acidic functional groups may be the same or different from each other.

なお、本発明において、有機酸には、いわゆる無水物(有機酸無水物)も含まれる。有機酸無水物とは、二つのアシル基が酸素原子を共有する形の結合を有する化合物である。   In the present invention, the organic acid includes so-called anhydrides (organic acid anhydrides). An organic acid anhydride is a compound having a bond in which two acyl groups share an oxygen atom.

また、前述のように、有機酸は、分子内に酸性官能基を少なくとも1つ有し、繰返し単位構造を有する有機酸ポリマーであってもよい。有機酸ポリマーとしては、例えば、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、スチレン/スチレンホスホン酸共重合体、ポリ乳酸、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、キサンタンガム、カラギーナン、ペクチン、ポリガラクツロン酸、アルギン酸、コンドロイチン硫酸、デルマタン硫酸、ヘパラン硫酸、ヒアルロン酸、ケラタン硫酸、ムコイチン硫酸、カロニン酸、カラギーナン、カルボキシメチルキチン、カルボキシビニルポリマー、ポリアクリル酸、アクリル酸/メタクリル酸アルキル共重合体などが挙げられる。また、多糖、タンパク質、合成ポリマーなどがカルボキシ基、カルボキシアルキル基、スルホ基、リン酸基などの酸性基で修飾されたものも含まれる。ポリマーの酸性基は、一部もしくはすべてがナトリウム塩、カリウム塩、アンモニウム塩等の塩になっていてもよい。
本発明に用いる有機酸ポリマーの重量平均分子量には、特に制限は無いが、5000〜10,000,000が好ましく、さらに10,000〜5,000,000が好ましい。本発明において、重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって測定すればよい。
As described above, the organic acid may be an organic acid polymer having at least one acidic functional group in the molecule and a repeating unit structure. Examples of the organic acid polymer include polyvinyl sulfonic acid, polyvinyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, styrene / styrene phosphonic acid copolymer, polylactic acid, carboxymethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, xanthan gum, carrageenan, pectin, polygalacturonic acid, alginic acid, Examples thereof include chondroitin sulfate, dermatan sulfate, heparan sulfate, hyaluronic acid, keratan sulfate, mucoitin sulfate, caronic acid, carrageenan, carboxymethyl chitin, carboxyvinyl polymer, polyacrylic acid, and acrylic acid / alkyl methacrylate copolymer. Moreover, what modified polysaccharide, protein, a synthetic polymer, etc. with acidic groups, such as a carboxy group, a carboxyalkyl group, a sulfo group, and a phosphate group is also contained. A part or all of the acidic groups of the polymer may be a salt such as a sodium salt, a potassium salt, or an ammonium salt.
Although there is no restriction | limiting in particular in the weight average molecular weight of the organic acid polymer used for this invention, 5000-10,000,000 are preferable and 10,000-5,000,000 are more preferable. In the present invention, the weight average molecular weight may be measured by gel permeation chromatography (GPC).

有機酸の沸点は特に制限されないが、取り扱い性や、熱電変換素子としての用途を考慮すると、200℃以上が好ましく、熱電変換性能および/または電気的安定性が高いという本発明の効果がより優れる点で、220℃以上がさらに好ましい。
この沸点は、1気圧下での沸点を意図し、JIS 2254に準じて、例えば常圧法蒸留試験法によって測定を行ない、その初留点を沸点として用いる。
有機酸の融点は特に制限されないが、熱電変換素子としての用途を考慮すると固体酸であるのが好ましく、また、取り扱い性の点から、100℃以上が好ましく、110℃以上がより好ましく、熱電変換性能および/または電気的安定性が高いという本発明の効果がより優れる点で、120℃以上がさらに好ましい。上限は特に制限されないが、取り扱い性の点から、300℃以下が好ましい。
融点の測定は、JIS−0064に準じて、例えば、パーキンエルマー社製の示差走査熱量計,製品名:DSC7を用い、10mgのサンプルを流量50mL/分の窒素気流下で加熱溶融させた後、10℃/分の速度で冷却して固化させた後、引き続き10℃/分の速度で昇温する際の融解ピーク温度を使用する。
The boiling point of the organic acid is not particularly limited, but in consideration of handleability and use as a thermoelectric conversion element, it is preferably 200 ° C. or higher, and the effect of the present invention that thermoelectric conversion performance and / or electrical stability is high is more excellent. In this respect, 220 ° C. or higher is more preferable.
This boiling point is intended to be a boiling point at 1 atmosphere, and is measured by, for example, an atmospheric pressure distillation test method according to JIS 2254, and the initial boiling point is used as the boiling point.
The melting point of the organic acid is not particularly limited, but it is preferably a solid acid in consideration of the use as a thermoelectric conversion element, and is preferably 100 ° C. or higher, more preferably 110 ° C. or higher, from the viewpoint of handleability, and thermoelectric conversion 120 degreeC or more is further more preferable at the point which the effect of this invention that performance and / or electrical stability are high is more excellent. The upper limit is not particularly limited, but is preferably 300 ° C. or less from the viewpoint of handleability.
The melting point was measured according to JIS-0064, for example, using a differential scanning calorimeter manufactured by Perkin Elmer, product name: DSC7, and 10 mg of a sample was heated and melted under a nitrogen stream at a flow rate of 50 mL / min. After solidifying by cooling at a rate of 10 ° C./min, the melting peak temperature when the temperature is subsequently increased at a rate of 10 ° C./min is used.

低分子の有機酸は、熱電変換性能および/または電気的安定性が高いという本発明の効果がより優れる点で、下記一般式(1)で表されるものが好ましい。
(A)m−R−(B)n 一般式(1)
一般式(1)中、Aはカルボキシル基、スルホ基、および、リン酸基から選択される1以上を表し、カルボシキル基であるのが好ましい。複数存在するAは、それぞれ同一であっても異なっていてもよい。
一般式(1)中、Bは炭素数1〜6のアルキル基、アルケニル基、アルキルエーテル基、ヒドロキシル基から選択される1以上を表し、アルキル基、アルキルエーテル基、ヒドロキシル基から選択される1以上であるのが好ましい。複数存在するBは、それぞれ同一であっても異なっていてもよい。
一般式(1)中、Rは炭素数1〜10のm+n価の脂肪族基または炭素数6〜20のm+n価の芳香族基を表し、炭素数1〜6のm+n価の脂肪族基または炭素数6〜16のm+n価の芳香族基であるのが好ましく、炭素数6〜16のm+n価の芳香族基であるのがさらに好ましく、炭素数6〜10のm+n価の芳香族基であるのがより好ましい。Rがm+n価の脂肪族基であるとき、脂肪族基は直鎖構造であっても、分岐構造であっても、環状構造であってもよい。Rがm+n価の芳香族基であるとき、芳香族基は単環構造であっても多環構造であってもよい。
一般式(1)において、BおよびRの水素原子の一部または全部が、他の原子(例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子など)または官能基(例えば、ヒドロキシル基、アミノ基、メルカプト基、シアノ基、パーフルオロ基など)で置換されていてもよい。
一般式(1)中、mは1以上の整数を表し、1〜5の整数であるのが好ましく、1〜3の整数であるのがより好ましく、1〜2であるのがさらに好ましい。
一般式(1)中、nは0以上の整数を表し、0〜2の整数であるのが好ましく、0〜1の整数であるのがさらに好ましい。
The low molecular organic acid is preferably represented by the following general formula (1) in that the effect of the present invention that thermoelectric conversion performance and / or electrical stability is high is more excellent.
(A) mR- (B) n General formula (1)
In the general formula (1), A represents one or more selected from a carboxyl group, a sulfo group, and a phosphate group, and is preferably a carboxyl group. A plurality of A may be the same or different.
In the general formula (1), B represents one or more selected from an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkenyl group, an alkyl ether group, and a hydroxyl group, and 1 selected from an alkyl group, an alkyl ether group, and a hydroxyl group. The above is preferable. A plurality of B may be the same or different.
In general formula (1), R represents an m + n-valent aliphatic group having 1 to 10 carbon atoms or an m + n-valent aromatic group having 6 to 20 carbon atoms, and an m + n-valent aliphatic group having 1 to 6 carbon atoms or It is preferably an m + n-valent aromatic group having 6 to 16 carbon atoms, more preferably an m + n-valent aromatic group having 6 to 16 carbon atoms, and an m + n-valent aromatic group having 6 to 10 carbon atoms. More preferably. When R is an m + n-valent aliphatic group, the aliphatic group may have a linear structure, a branched structure, or a cyclic structure. When R is an m + n-valent aromatic group, the aromatic group may be a monocyclic structure or a polycyclic structure.
In the general formula (1), some or all of the hydrogen atoms of B and R are other atoms (for example, fluorine atom, chlorine atom, bromine atom, iodine atom, etc.) or functional groups (for example, hydroxyl group, amino group) , A mercapto group, a cyano group, a perfluoro group, etc.).
In the general formula (1), m represents an integer of 1 or more, preferably an integer of 1 to 5, more preferably an integer of 1 to 3, and further preferably 1 or 2.
In the general formula (1), n represents an integer of 0 or more, preferably an integer of 0 to 2, and more preferably an integer of 0 to 1.

以下、カルボン酸(カルボキシル基を有する化合物)について詳述する。
カルボン酸としては、脂肪族カルボン酸(脂肪族カルボン酸化合物)、芳香族カルボン酸(芳香族カルボン酸化合物)などが挙げられ、芳香族カルボン酸がより好ましい。
カルボン酸に含まれるカルボキシル基の数は特に制限されないが、熱電変換性能および/または電気的安定性が高いという本発明の効果がより優れる点で、1〜6個が好ましく、1〜3個がより好ましい。
脂肪族カルボン酸としては、モノカルボン酸、ジカルボン酸、トリカルボン酸が挙げられ、モノカルボン酸としては、例えば、ギ酸、酢酸、吉草酸、グリコール酸、乳酸、プロピオン酸、シクロヘキサンカルボン酸、デオキシコール酸、コール酸、リトコール酸、ジヒドロアビエチン酸、アビエチン酸、ネオアビエチン酸、パラストリン酸、レボピマル酸、ジヒドロアビエチン酸、テトラヒドロアビエチン酸などが挙げられ、ジカルボン酸としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、酒石酸、リンゴ酸、マレイン酸、フマル酸、ジクロヘキサンジカルボン酸などが挙げられ、トリカルボン酸としてはクエン酸などが挙げられる。
芳香族カルボン酸としては、芳香族環(Ar)に直接的に1つまたは複数のカルボキシル基(−COOH)が結合している化合物である。芳香族環としては、ベンゼン環、ナフタレン環、ピレン環などの公知の芳香族環が挙げられ、単環構造であっても、多環構造であってもよい。また、芳香族環には、カルボキシル基以外の他の官能基(例えば、ヒドロキシル基、アルキル基など)が置換していてもよい。
芳香族カルボン酸としては、例えば、安息香酸、サリチル酸、p−ヒドロキシ安息香酸、o−,m−,またはp−トルイル酸、o−,m−,またはp−メトキシ安息香酸、1−ナフトエ酸、1−ピレンカルボン酸、ピレンブタン酸等の芳香族モノカルボン酸;フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸等の芳香族ジカルボン酸;トリメシル酸等の芳香族トリカルボン酸が挙げられる。
カルボン酸は、これらの化合物の誘導体や塩も利用可能である。
Hereinafter, the carboxylic acid (compound having a carboxyl group) will be described in detail.
Examples of the carboxylic acid include aliphatic carboxylic acids (aliphatic carboxylic acid compounds) and aromatic carboxylic acids (aromatic carboxylic acid compounds), and aromatic carboxylic acids are more preferable.
Although the number of carboxyl groups contained in the carboxylic acid is not particularly limited, 1 to 6 is preferable, and 1 to 3 is preferable in that the effect of the present invention that thermoelectric conversion performance and / or electrical stability is high is more excellent. More preferred.
Examples of aliphatic carboxylic acids include monocarboxylic acids, dicarboxylic acids, and tricarboxylic acids. Examples of monocarboxylic acids include formic acid, acetic acid, valeric acid, glycolic acid, lactic acid, propionic acid, cyclohexanecarboxylic acid, and deoxycholic acid. , Cholic acid, lithocholic acid, dihydroabietic acid, abietic acid, neoabietic acid, parastrinic acid, levopimaric acid, dihydroabietic acid, tetrahydroabietic acid, etc., and dicarboxylic acids include oxalic acid, malonic acid, succinic acid, Examples thereof include tartaric acid, malic acid, maleic acid, fumaric acid, dichlorohexanedicarboxylic acid, and examples of tricarboxylic acid include citric acid.
The aromatic carboxylic acid is a compound in which one or more carboxyl groups (—COOH) are directly bonded to the aromatic ring (Ar). As an aromatic ring, well-known aromatic rings, such as a benzene ring, a naphthalene ring, a pyrene ring, are mentioned, A monocyclic structure or a polycyclic structure may be sufficient. In addition, the aromatic ring may be substituted with a functional group other than the carboxyl group (for example, a hydroxyl group, an alkyl group, etc.).
Examples of the aromatic carboxylic acid include benzoic acid, salicylic acid, p-hydroxybenzoic acid, o-, m-, or p-toluic acid, o-, m-, or p-methoxybenzoic acid, 1-naphthoic acid, Aromatic monocarboxylic acids such as 1-pyrenecarboxylic acid and pyrenebutanoic acid; aromatic dicarboxylic acids such as phthalic acid, isophthalic acid and terephthalic acid; and aromatic tricarboxylic acids such as trimesic acid.
As the carboxylic acid, derivatives and salts of these compounds can also be used.

本発明においては、有機酸として、スルホン酸(スルホ基を有する化合物)も好適に利用される。
スルホン酸としては、脂肪族スルホン酸(オクチルスルホン酸、デシルスルホン酸)、ベンゼンスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸(トルエンスルホン酸、キシレンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸)、ナフタレンスルホン酸、アルキルナフタレンスルホン酸(メチルナフタレンスルホン酸、ドデシルナフタレンスルホン酸)、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルスルホン酸などが挙げられる。
スルホン酸は、これらの化合物の誘導体や塩も用いることができる。
In the present invention, sulfonic acid (a compound having a sulfo group) is also preferably used as the organic acid.
Examples of the sulfonic acid include aliphatic sulfonic acid (octylsulfonic acid, decylsulfonic acid), benzenesulfonic acid, alkylbenzenesulfonic acid (toluenesulfonic acid, xylenesulfonic acid, dodecylbenzenesulfonic acid), naphthalenesulfonic acid, alkylnaphthalenesulfonic acid ( Methyl naphthalene sulfonic acid, dodecyl naphthalene sulfonic acid), polyoxyalkylene alkyl ether sulfonic acid and the like.
As the sulfonic acid, derivatives and salts of these compounds can also be used.

さらに、本発明においては、有機酸として、リン酸(リン酸基を有する化合物)も好適に利用される。
リン酸としては、例えばフェニルホスホン酸、メチルフェニルホスホン酸、デシルホスホン酸、メチレンジホスホン酸、などが挙げられる。これらの化合物の誘導体や塩も用いることができる。
Furthermore, in the present invention, phosphoric acid (compound having a phosphoric acid group) is also preferably used as the organic acid.
Examples of phosphoric acid include phenylphosphonic acid, methylphenylphosphonic acid, decylphosphonic acid, and methylenediphosphonic acid. Derivatives and salts of these compounds can also be used.

熱電変換層16における有機酸の含有量は、特に制限は無いが、有機酸/ナノ炭素材料の質量比で0.001〜20が好ましく、0.005〜10がより好ましく、0.01〜5がさらに好ましい。
有機酸の含有量を有機酸/ナノ炭素材料の質量比で0.001以上とすることにより、有機酸を添加することの効果を十分に得て高い熱電変換性能が得られる等の点で好ましい。
また、有機酸の含有量を有機酸/ナノ炭素材料の質量比で20以下とすることにより、より電気的安定性が高い熱電変換素子が得られる、配線腐食をより好適に防止できる等の点で好ましい。
Although there is no restriction | limiting in particular in content of the organic acid in the thermoelectric conversion layer 16, 0.001-20 are preferable with the mass ratio of organic acid / nanocarbon material, 0.005-10 are more preferable, 0.01-5 Is more preferable.
By making the content of organic acid 0.001 or more by mass ratio of organic acid / nanocarbon material, it is preferable in that the effect of adding organic acid is sufficiently obtained and high thermoelectric conversion performance is obtained. .
In addition, when the organic acid content is 20 or less in terms of the mass ratio of organic acid / nanocarbon material, a thermoelectric conversion element with higher electrical stability can be obtained, and wiring corrosion can be more suitably prevented. Is preferable.

本発明の熱電変換素子10において、熱電変換層16は、必要に応じて、バインダとして樹脂材料を含有してもよい。
樹脂材料は、公知の各種の非導電性の樹脂材料(ポリマー)が利用可能である。
具体的には、ビニル化合物、(メタ)アクリレート化合物、カーボネート化合物、エステル化合物、エポキシ化合物、シロキサン化合物、ゼラチン等の公知の各種の樹脂材料が利用可能である。
より具体的には、ビニル化合物としては、ポリスチレン、ポリビニルナフタレン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルフェノール、ポリビニルブチラール等が例示される。(メタ)アクリレート化合物としては、ポリメチル(メタ)アクリレート、ポリエチル(メタ)アクリレート、ポリフェノキシ(ポリ)エチレングリコール(メタ)アクリレート、ポリベンジル(メタ)アクリレート等が例示される。カーボネート化合物としては、ビスフェノールZ型ポリカーボネート、ビスフェノールC型ポリカーボネート等が例示される。エステル化合物としては、非晶性ポリエステルが例示される。
好ましくは、ポリスチレン、ポリビニルブチラール、(メタ)アクリレート化合物、カーボネート化合物、エステル化合物が例示され、より好ましくは、ポリビニルブチラール、ポリフェノキシ(ポリ)エチレングリコール(メタ)アクリレート、ポリベンジル(メタ)アクリレート、非晶性ポリエステルが例示される。
In the thermoelectric conversion element 10 of the present invention, the thermoelectric conversion layer 16 may contain a resin material as a binder, if necessary.
Various known non-conductive resin materials (polymers) can be used as the resin material.
Specifically, various known resin materials such as vinyl compounds, (meth) acrylate compounds, carbonate compounds, ester compounds, epoxy compounds, siloxane compounds, and gelatin can be used.
More specifically, examples of the vinyl compound include polystyrene, polyvinyl naphthalene, polyvinyl acetate, polyvinyl phenol, and polyvinyl butyral. Examples of the (meth) acrylate compound include polymethyl (meth) acrylate, polyethyl (meth) acrylate, polyphenoxy (poly) ethylene glycol (meth) acrylate, polybenzyl (meth) acrylate and the like. Examples of the carbonate compound include bisphenol Z-type polycarbonate and bisphenol C-type polycarbonate. As the ester compound, amorphous polyester is exemplified.
Preferred examples include polystyrene, polyvinyl butyral, (meth) acrylate compounds, carbonate compounds and ester compounds, and more preferred are polyvinyl butyral, polyphenoxy (poly) ethylene glycol (meth) acrylate, polybenzyl (meth) acrylate, and amorphous. An example is a reactive polyester.

樹脂材料に熱電変換材料を分散してなる熱電変換層16において、熱電変換層16における樹脂材料の含有量は、用いる材料や要求される熱電変換効率、印刷に影響する溶液の粘度や固形分濃度等に応じて、適宜、設定すればよい。
具体的には、樹脂材料の含有量は、樹脂材料/ナノ炭素材料の質量比で0.5〜10が好ましく、0.5〜5がより好ましく、1〜4がさらに好ましい。
樹脂材料の含有量をナノ炭素材料との質量比で0.5以上とすることにより、熱電変換層16の形状保持性、経済性等の点で好ましい。
また、樹脂材料の含有量をナノ炭素材料との質量比で10以下とすることにより、導電性を高くして、より熱電変換性能が高い熱電変換素子が得られる等の点で好ましい。
In the thermoelectric conversion layer 16 in which the thermoelectric conversion material is dispersed in the resin material, the content of the resin material in the thermoelectric conversion layer 16 is determined depending on the material used, the required thermoelectric conversion efficiency, the viscosity of the solution and the solid content concentration affecting printing. It may be set as appropriate according to the above.
Specifically, the content of the resin material is preferably 0.5 to 10, more preferably 0.5 to 5, and still more preferably 1 to 4 in terms of the mass ratio of the resin material / nanocarbon material.
By setting the content of the resin material to 0.5 or more by mass ratio with the nanocarbon material, it is preferable in terms of shape retention property, economic efficiency, and the like of the thermoelectric conversion layer 16.
Moreover, it is preferable at the point that the electroconductivity is made high and the thermoelectric conversion element with higher thermoelectric conversion performance is obtained by making content of a resin material into 10 or less by mass ratio with a nanocarbon material.

本発明の熱電変換素子10において、熱電変換層16は、必要に応じて、界面活性剤を含有してもよい。
界面活性剤は、CNT等のナノ炭素材料を分散させる機能を有するものであれば、公知の界面活性剤を使用することができる。より具体的には、界面活性剤は、水、極性溶媒、水と極性溶媒との混合物に溶解し、CNTを吸着する基を有するものであれば、各種の界面活性剤が利用可能である。
従って、界面活性剤は、イオン性でも非イオン性でもよい。また、イオン性の界面活性剤は、カチオン性、アニオン性および両性のいずれでもよい。
一例として、アニオン性界面活性剤としては、ドデシルベンゼンスルホン酸等のアルキルベンゼンスルホン酸塩、ドデシルフェニルエーテルスルホン酸塩等の芳香族スルホン酸系界面活性剤、モノソープ系アニオン性界面活性剤、エーテルサルフェート系界面活性剤、フォスフェート系界面活性剤およびでデオキシコール酸ナトリウムやコール酸ナトリウム等のカルボン酸系界面活性剤、カルボキシメチルセルロースおよびその塩(ナトリウム塩、アンモニウム塩等)、ポリスチレンスルホン酸アンモニウム塩、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム塩等の水溶性ポリマーなどが例示される。
カチオン性界面活性剤としては、アルキルアミン塩、第四級アンモニウム塩などが例示される。両性界面活性剤としては、アルキルベタイン系界面活性剤、アミンオキサイド系界面活性剤などが例示される。
さらに、非イオン性界面活性剤としては、ソルビタン脂肪酸エステルなどの糖エステル系界面活性剤、ポリオキシエチレン樹脂酸エステルどの脂肪酸エステル系界面活性剤、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのエーテル系界面活性剤などが例示される。
中でも、イオン性の界面活性剤は好適に利用され、その中でも、コール酸塩やデオキシコール酸塩は好適に利用される。
In the thermoelectric conversion element 10 of the present invention, the thermoelectric conversion layer 16 may contain a surfactant as necessary.
As the surfactant, any known surfactant can be used as long as it has a function of dispersing a nanocarbon material such as CNT. More specifically, various surfactants can be used as long as they have a group that dissolves in water, a polar solvent, or a mixture of water and a polar solvent and adsorbs CNTs.
Accordingly, the surfactant may be ionic or nonionic. The ionic surfactant may be any of cationic, anionic and amphoteric.
Examples of the anionic surfactant include alkylbenzene sulfonates such as dodecylbenzene sulfonic acid, aromatic sulfonic acid surfactants such as dodecyl phenyl ether sulfonate, monosoap anionic surfactants, ether sulfates Surfactants, phosphate surfactants and carboxylic acid surfactants such as sodium deoxycholate and sodium cholate, carboxymethylcellulose and salts thereof (sodium salt, ammonium salt, etc.), ammonium polystyrene sulfonate, Examples thereof include water-soluble polymers such as polystyrene sulfonate sodium salt.
Examples of the cationic surfactant include alkylamine salts and quaternary ammonium salts. Examples of amphoteric surfactants include alkylbetaine surfactants and amine oxide surfactants.
Furthermore, nonionic surfactants include sugar ester surfactants such as sorbitan fatty acid esters, fatty acid ester surfactants such as polyoxyethylene resin acid esters, ether surfactants such as polyoxyethylene alkyl ethers, etc. Is exemplified.
Among these, ionic surfactants are preferably used, and among them, cholate and deoxycholate are preferably used.

熱電変換層16が界面活性剤を含有する場合には、その含有量は、低い方が好ましい。具体的には、界面活性剤/ナノ炭素材料の質量比が5以下であるのが好ましく、2以下であるのがより好ましい。
界面活性剤の含有量をナノ炭素材料との質量比で5以下とすることにより、より高い熱電変換性能が得られる等の点で好ましい。
When the thermoelectric conversion layer 16 contains a surfactant, the content is preferably low. Specifically, the surfactant / nanocarbon material mass ratio is preferably 5 or less, more preferably 2 or less.
By setting the content of the surfactant to 5 or less by mass ratio with the nanocarbon material, it is preferable in that higher thermoelectric conversion performance can be obtained.

なお、主にCNTと界面活性剤とからなる熱電変換層16は、必要に応じて、消泡剤、乾燥防止剤、防かび剤等を有してもよい。   In addition, the thermoelectric conversion layer 16 mainly composed of CNT and a surfactant may have an antifoaming agent, a drying inhibitor, a fungicide, and the like as necessary.

本発明の熱電変換素子10において、熱電変換層16の厚さ、面方向の大きさ、基板に対する面方向の面積率等は、熱電変換層16の形成材料、熱電変換素子10の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。   In the thermoelectric conversion element 10 of the present invention, the thickness of the thermoelectric conversion layer 16, the size in the surface direction, the area ratio in the surface direction with respect to the substrate, etc. Accordingly, it may be set appropriately.

図1(A)〜図1(C)に示す例においては、熱電変換層16は、直方体状であるが、本発明の熱電変換素子において、熱電変換層16は、各種の形状が利用可能である。
例えば、熱電変換層は、四角錐台状等であってもよい。あるいは、円柱状、四角以外の角柱状、円錐台、角錐台、不定形状等であってもよい。
In the example shown in FIGS. 1A to 1C, the thermoelectric conversion layer 16 has a rectangular parallelepiped shape, but in the thermoelectric conversion element of the present invention, various shapes can be used for the thermoelectric conversion layer 16. is there.
For example, the thermoelectric conversion layer may have a quadrangular pyramid shape or the like. Alternatively, it may be a columnar shape, a prism shape other than a square shape, a truncated cone, a truncated pyramid, an indefinite shape, or the like.

第1基板12の表面には、熱電変換層16を面方向で挟むように、第1電極26および第2電極28が設けられる。
熱電変換素子10においては、図1(A)〜図1(C)等に示すように、第1電極26および第2電極28は、熱電変換層16の端部で第1基板12から立ち上がり、熱電変換層16の側面から上面の端部近傍に到る形状を有している。
A first electrode 26 and a second electrode 28 are provided on the surface of the first substrate 12 so as to sandwich the thermoelectric conversion layer 16 in the surface direction.
In the thermoelectric conversion element 10, the first electrode 26 and the second electrode 28 rise from the first substrate 12 at the end of the thermoelectric conversion layer 16, as shown in FIGS. The thermoelectric conversion layer 16 has a shape extending from the side surface to the vicinity of the end of the upper surface.

なお、本発明の熱電変換素子において、第1電極26および第2電極28の形状は、図1(A)〜図1(C)に示される形状に限定はされず、十分な導電性で熱電変換層16に接続されるものであれば、各種の形状が利用可能である。
例えば、図2(A)に概念的に示すように、第1基板12の表面に離間して形成された板状の第1電極30および第2電極32の端部を、熱電変換層16が覆うような構成であってもよい。図1(B)等に示される構成は、第1基板12の表面に熱電変換層を形成した後に、第1電極26および第2電極28を形成することで作製できる。これに対し、図2(A)に示される構成は、先に第1基板12の表面に第1電極30および第2電極32を形成した後に、熱電変換層16を形成することで、作製できる。
また、図2(B)に概念的に示すように、図2(A)に示される構成に、さらに、第1電極30および第2電極32に接続して、熱電変換層16の側面から上面の端部近傍に至って接触する補助電極30aおよび32aを有する構成であってもよい。
さらに、図2(C)に概念的に示すように、熱電変換層16の側面に、第1電極34および第2電極36が当接するだけの構成であってもよい。
In addition, in the thermoelectric conversion element of this invention, the shape of the 1st electrode 26 and the 2nd electrode 28 is not limited to the shape shown by FIG. 1 (A)-FIG. Various shapes can be used as long as they are connected to the conversion layer 16.
For example, as conceptually shown in FIG. 2A, the end portions of the plate-like first electrode 30 and the second electrode 32 formed on the surface of the first substrate 12 are connected to the thermoelectric conversion layer 16. The structure which covers may be sufficient. The configuration shown in FIG. 1B and the like can be manufactured by forming the first electrode 26 and the second electrode 28 after forming the thermoelectric conversion layer on the surface of the first substrate 12. On the other hand, the configuration shown in FIG. 2A can be manufactured by forming the thermoelectric conversion layer 16 after first forming the first electrode 30 and the second electrode 32 on the surface of the first substrate 12. .
Further, as conceptually shown in FIG. 2 (B), the structure shown in FIG. 2 (A) is further connected to the first electrode 30 and the second electrode 32, and from the side surface of the thermoelectric conversion layer 16 to the upper surface. The structure which has the auxiliary electrodes 30a and 32a which contact | connects to the edge part vicinity may be sufficient.
Further, as conceptually shown in FIG. 2C, the first electrode 34 and the second electrode 36 may be in contact with the side surface of the thermoelectric conversion layer 16.

第1電極26および第2電極28は、必要な導電率を有するものであれば、各種の材料で形成可能である。
具体的には、銅、銀、金、白金、ニッケル、アルミニウム、コンスタンタン、クロム、インジウム、鉄、銅合金などの金属材料、酸化インジウムスズ(ITO)や酸化亜鉛(ZnO)等の各種のデバイスで透明電極として利用されている材料等が例示される。中でも、銅、金、銀、白金、ニッケル、銅合金、アルミニウム、コンスタンタン等は好ましく例示され、銅、金、銀、白金、ニッケルは、より好ましく例示される。
The first electrode 26 and the second electrode 28 can be formed of various materials as long as they have a necessary conductivity.
Specifically, various materials such as copper, silver, gold, platinum, nickel, aluminum, constantan, chromium, indium, iron, copper alloy, and other devices such as indium tin oxide (ITO) and zinc oxide (ZnO) Examples include materials used as transparent electrodes. Among these, copper, gold, silver, platinum, nickel, copper alloy, aluminum, constantan and the like are preferably exemplified, and copper, gold, silver, platinum and nickel are more preferably exemplified.

また、第1電極26および第2電極28の厚さや大きさ、形状等も、熱電変換層16の厚さや大きさ、形状、熱電変換素子10の大きさ等に応じて、適宜、設定すればよい。   In addition, the thickness, size, shape, and the like of the first electrode 26 and the second electrode 28 may be appropriately set according to the thickness, size, shape, the size of the thermoelectric conversion element 10, etc. of the thermoelectric conversion layer 16. Good.

図示例の熱電変換素子10は、第1基板12の上に、熱電変換層16ならびに第1電極26および第2電極28を覆って粘着層18を有し、この粘着層18に第2基板20が貼着される。   The thermoelectric conversion element 10 of the illustrated example has an adhesive layer 18 on the first substrate 12 so as to cover the thermoelectric conversion layer 16 and the first electrode 26 and the second electrode 28, and the adhesive substrate 18 includes the second substrate 20. Is pasted.

粘着層18の形成材料は、第1基板12(低熱伝導部12a)、第2基板20(低熱伝導部20a)、第1電極26および第2電極28の形成材料等に応じて、これらを貼着可能なものが、各種、利用可能である。
具体的には、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ゴム、EVA(Ethylene Vinyl Acetate Copolymer)、α-オレフィンポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ゼラチン、デンプン等が例示される。また、粘着層18は、市販の両面テープや粘着フィルムを利用して形成してもよい。
The forming material of the adhesive layer 18 is affixed according to the forming material of the first substrate 12 (low heat conduction part 12a), the second substrate 20 (low heat conduction part 20a), the first electrode 26 and the second electrode 28, and the like. A variety of wearable items are available.
Specific examples include acrylic resins, urethane resins, silicone resins, epoxy resins, rubber, EVA (Ethylene Vinyl Acetate Copolymer), α-olefin polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polyvinyl pyrrolidone, gelatin, starch, and the like. Moreover, you may form the adhesion layer 18 using a commercially available double-sided tape and an adhesive film.

粘着層18の厚さは、粘着層18の形成材料、第1基板12および第2基板20の形成材料や大きさ等に応じて、十分な密着力が得られ、かつ、熱電変換層16に起因する段差を埋められる厚さを、適宜、設定すればよい。   The thickness of the adhesive layer 18 is such that sufficient adhesion can be obtained according to the forming material of the adhesive layer 18, the forming material and size of the first substrate 12 and the second substrate 20, and the thermoelectric conversion layer 16. What is necessary is just to set suitably the thickness which can fill the level | step difference resulting from.

なお、本発明の熱電変換素子は、熱電変換層と第1電極および第2電極とを同じ高さとして、粘着層を用いずに、熱電変換層と第1電極および第2電極との上に第2基板を積層して、公知の方法で第1基板、熱電変換層と第1電極および第2電極、第2基板を、互いに固定してもよい。この際の固定方法は、各部材の自己貼着であってもよい。   In addition, the thermoelectric conversion element of this invention makes the thermoelectric conversion layer, the 1st electrode, and the 2nd electrode the same height, and does not use an adhesion layer, but on the thermoelectric conversion layer, the 1st electrode, and the 2nd electrode. The second substrate may be laminated, and the first substrate, the thermoelectric conversion layer, the first electrode, the second electrode, and the second substrate may be fixed to each other by a known method. The fixing method at this time may be self-adhesion of each member.

図示例の熱電変換素子10は、第1基板12の高熱伝導部12bと、第2基板20の高熱伝導部20bとが、電極間方向に対面して端部を当接するように、面方向の異なる位置に配置される。
本発明の熱電変換素子は、これ以外にも、各種の構成が利用可能である。
例えば、図1(A)〜図1(C)に示す例において、第1基板12の高熱伝導部12bを図中右側に移動し、第2基板20の高熱伝導部20bを図中左側に移動して、面方向において、両高熱伝導部を、電極間方向に離間させてもよい。具体的には、第1基板12の高熱伝導部12bと第2基板20の高熱伝導部20bとは、面方向において、第1電極26と第2電極28との離間方向における熱電変換層16の大きさに対して、電極間方向に10〜90%離間させるのが好ましく、10〜50%離間させるのがより好ましい。
逆に、図1(A)〜図1(C)に示す例において、第1基板12の高熱伝導部12bを図中左側に移動し、第2基板20の高熱伝導部20bを図中右側に移動することによって、両基板の高熱伝導部の一部を、面方向で重複させてもよい。
In the illustrated thermoelectric conversion element 10, the high thermal conductive portion 12 b of the first substrate 12 and the high thermal conductive portion 20 b of the second substrate 20 face each other in the inter-electrode direction and abut the end portions thereof. Arranged at different positions.
In addition to this, various configurations can be used for the thermoelectric conversion element of the present invention.
For example, in the example shown in FIGS. 1A to 1C, the high heat conduction portion 12b of the first substrate 12 is moved to the right side in the drawing, and the high heat conduction portion 20b of the second substrate 20 is moved to the left side in the drawing. Then, in the surface direction, both high heat conducting portions may be separated in the inter-electrode direction. Specifically, the high heat conductive portion 12b of the first substrate 12 and the high heat conductive portion 20b of the second substrate 20 are in the plane direction of the thermoelectric conversion layer 16 in the direction in which the first electrode 26 and the second electrode 28 are separated from each other. The size is preferably 10% to 90% apart, more preferably 10% to 50% apart in the direction between the electrodes.
On the other hand, in the example shown in FIGS. 1A to 1C, the high heat conduction portion 12b of the first substrate 12 is moved to the left side in the drawing, and the high heat conduction portion 20b of the second substrate 20 is moved to the right side in the drawing. By moving, a part of the high thermal conductivity portions of both substrates may overlap in the plane direction.

あるいは、第1基板に円形の高熱伝導部を形成し、第2基板に同サイズの正方形の高熱伝導部を形成して、両高熱伝導部の中心を面方向で一致させるように、両基板を配置してもよい。この構成でも、距離は短いが、両高熱伝導部は、端部(周辺)位置が面方向で異なるので、熱電変換層には面方向の温度差が生じ、厚さ方向に温度差を生じさせる熱電変換素子に比して、効率の良い発電が可能である。なお、同サイズの円形および正方形とは、直径と一辺の長さとが一致している円形および正方形である。
すなわち、本発明においては、第1基板と第2基板とで、高熱伝導部が面方向に完全に重複しなければ、第1基板および第2基板は、各種の構成が利用可能である。言い換えれば、第1基板および第2基板は、基板面と垂直方向から見た際に、第1基板と第2基板との高熱伝導部が完全に重なっていなければ、各種の構成が利用可能である。
Alternatively, a circular high heat conduction portion is formed on the first substrate, a square high heat conduction portion of the same size is formed on the second substrate, and both the substrates are arranged so that the centers of both high heat conduction portions coincide in the plane direction. You may arrange. Even in this configuration, although the distance is short, since the end (periphery) positions of the two high heat conducting portions are different in the surface direction, a temperature difference in the surface direction is generated in the thermoelectric conversion layer, and a temperature difference is generated in the thickness direction. Efficient power generation is possible compared to thermoelectric conversion elements. In addition, the circle and square of the same size are a circle and a square in which the diameter and the length of one side coincide.
That is, in the present invention, various configurations can be used for the first substrate and the second substrate as long as the high thermal conductivity portions do not completely overlap in the plane direction between the first substrate and the second substrate. In other words, when the first substrate and the second substrate are viewed from the direction perpendicular to the substrate surface, various configurations can be used as long as the high thermal conductivity portions of the first substrate and the second substrate do not completely overlap. is there.

本発明の熱電変換素子において、低熱伝導層および第2高熱伝導部は、第2基板20を構成する低熱伝導部20aおよび高熱伝導部20bに限定はされず、低熱伝導層と、低熱伝導層に設けられる、低熱伝導層よりも熱伝導率が高い第2高熱伝導部とを有し、かつ、第1高熱伝導部と第2高熱伝導部とが面方向で完全に重複しなければ、各種の構成が利用可能である。言い換えれば、低熱伝導層および第2高熱伝導部は、第2高熱伝導部が設けられる、高熱伝導部よりも熱伝導率が低い低熱伝導層とを有し、かつ、第1高熱伝導部と第2高熱伝導部とが面方向で完全に重複しなければ、各種の構成が利用可能である。   In the thermoelectric conversion element of the present invention, the low heat conduction layer and the second high heat conduction part are not limited to the low heat conduction part 20a and the high heat conduction part 20b constituting the second substrate 20, and the low heat conduction layer and the low heat conduction layer Provided with a second high thermal conductivity portion that has a higher thermal conductivity than the low thermal conductivity layer, and the first high thermal conductivity portion and the second high thermal conductivity portion do not completely overlap in the plane direction. Configuration is available. In other words, the low thermal conductivity layer and the second high thermal conductivity portion include the low thermal conductivity layer provided with the second high thermal conductivity portion and having a lower thermal conductivity than the high thermal conductivity portion, and the first high thermal conductivity portion and the first high thermal conductivity portion Various configurations can be used as long as the two high heat conducting portions do not completely overlap in the surface direction.

例えば、粘着層18の上に低熱伝導層として絶縁層(絶縁性を有する層)を形成して、その上に、前述の高熱伝導部20bと同様の第2高熱伝導部を設けてもよい。
この際において、絶縁層は、公知の方法で形成すればよい。一例として、樹脂などの絶縁性物質からなる絶縁層を塗布法やフィルム(シート)の貼着によって形成する方法、金属酸化物の蒸着等によって絶縁層を形成する方法等が例示される。
For example, an insulating layer (insulating layer) may be formed on the adhesive layer 18 as a low thermal conductive layer, and a second high thermal conductive portion similar to the high thermal conductive portion 20b described above may be provided thereon.
At this time, the insulating layer may be formed by a known method. As an example, a method of forming an insulating layer made of an insulating material such as a resin by a coating method or sticking a film (sheet), a method of forming an insulating layer by vapor deposition of a metal oxide, or the like is exemplified.

また、図2(C)に示す構成において、熱電変換層16との段差が生じない厚さの第1電極34および第2電極36を形成し、粘着層を設けずに、この熱電変換層16と第1電極34および第2電極36との上に、先と同様に絶縁層を形成して、この絶縁層の上に、高熱伝導部20bと同様の第2高熱伝導部を設けてもよい。
あるいは、図1(A)〜図1(C)等に示される構成において、粘着層18を設けずに、熱電変換層16と、第1電極26および第2電極28とを覆って、段差を埋めるように、先と同様に絶縁層を形成し、この絶縁層の上に、高熱伝導部20bと同様の第2高熱伝導部を設けてもよい。
Further, in the configuration shown in FIG. 2C, the first electrode 34 and the second electrode 36 having a thickness that does not cause a step with respect to the thermoelectric conversion layer 16 are formed, and this thermoelectric conversion layer 16 is not provided with an adhesive layer. An insulating layer may be formed on the first electrode 34 and the second electrode 36 in the same manner as described above, and a second high heat conductive portion similar to the high heat conductive portion 20b may be provided on the insulating layer. .
Alternatively, in the configuration shown in FIG. 1A to FIG. 1C and the like, the adhesive layer 18 is not provided, and the thermoelectric conversion layer 16 and the first electrode 26 and the second electrode 28 are covered, and a step is formed. An insulating layer may be formed in the same manner as described above so as to be buried, and a second high heat conductive portion similar to the high heat conductive portion 20b may be provided on the insulating layer.

さらに、図1(A)〜図1(C)に示される例において、粘着層18が絶縁性を有する場合には、低熱熱伝導部20aを設けずに、粘着層18を低熱伝導層として、粘着層18の上に、高熱伝導部20bと同様の第2高熱伝導部を設けてもよい。この際においては、必要に応じて、粘着層18の粘着性が問題にならないように、全体を覆う層を設けてもよく、もしくは、粘着層18が露出する領域を覆う層を設けてもよい。
あるいは、粘着層18が絶縁性を有する場合には、粘着層18を低熱伝導層として、粘着層18を覆う層を設け、この層の上に、高熱伝導部20bと同様の第2高熱伝導部を設けてもよい。
Furthermore, in the example shown in FIGS. 1 (A) to 1 (C), when the adhesive layer 18 has an insulating property, the adhesive layer 18 is used as the low thermal conductive layer without providing the low thermal conductive portion 20a. A second high heat conduction part similar to the high heat conduction part 20 b may be provided on the adhesive layer 18. In this case, if necessary, a layer that covers the whole may be provided so that the adhesiveness of the adhesive layer 18 does not become a problem, or a layer that covers a region where the adhesive layer 18 is exposed may be provided. .
Or when the adhesion layer 18 has insulation, the adhesion layer 18 is made into a low heat conductive layer, the layer which covers the adhesion layer 18 is provided, and the 2nd high heat conduction part similar to the high heat conduction part 20b is provided on this layer. May be provided.

なお、本発明において、絶縁性を有するとは、層を形成した際の1素子当たりの絶縁抵抗が0.1MΩ以上であることを示す。   In the present invention, having insulation means that the insulation resistance per element when the layer is formed is 0.1 MΩ or more.

図3(A)〜図3(D)に、このような本発明の熱電変換素子10を、複数、直列に接続してなる、本発明の熱電変換モジュールの一例を概念的に示す。なお、図3(A)〜図3(C)は上面図、図3(D)は正面図である。
本例において、第1基板12Aおよび第2基板20Aは、矩形板状の低熱伝導材料の表面に、一方向に延在する四角柱状の高熱伝導部を、四角柱の低熱伝導部に接触する一辺の長さと等間隔で、四角柱の延在方向と直交する方向に配列してなる構成を有する。
すなわち、第1基板12Aおよび第2基板20Aは、一面の表面の全面が低熱伝導部で、他面の表面が、一方向に延在する低熱伝導部と高熱伝導部とが、延在方向と直交する方向に等間隔で交互に形成された構成を有する(図3(A)、図3(C)および図3(D)参照)。
なお、本例においても、第1基板(第2基板)は、低熱伝導部の表面に高熱伝導部を載置した構成以外の、各種の構成が利用可能である。例えば、第1基板は、図4(B)に概念的に示すように、第1基板は、矩形板状の低熱伝導部12aに、一方向(図4(B)の紙面に直交する方向)に延在する溝を、延在方向と直交する方向に溝の幅と等間隔で形成して、この溝に高熱伝導部12bを組み込んでなる構成でもよい。
FIG. 3A to FIG. 3D conceptually show an example of the thermoelectric conversion module of the present invention in which a plurality of such thermoelectric conversion elements 10 of the present invention are connected in series. 3A to 3C are top views and FIG. 3D is a front view.
In this example, each of the first substrate 12A and the second substrate 20A has a rectangular plate-like high heat conductive portion that extends in one direction on the surface of a rectangular plate-like low heat conductive material, and a side that contacts the low heat conductive portion of the square pillar. Are arranged in the direction orthogonal to the extending direction of the quadrangular prism at equal intervals.
That is, in the first substrate 12A and the second substrate 20A, the entire surface of one surface is a low heat conductive portion, and the other surface is a low heat conductive portion and a high heat conductive portion extending in one direction. The structure is alternately formed in the orthogonal direction at equal intervals (see FIGS. 3A, 3C, and 3D).
Also in this example, the first substrate (second substrate) can use various configurations other than the configuration in which the high thermal conductivity portion is placed on the surface of the low thermal conductivity portion. For example, as conceptually shown in FIG. 4B, the first substrate is placed in one direction (a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 4B) on the rectangular plate-like low heat conduction portion 12a. The groove extending in the direction perpendicular to the extending direction may be formed at equal intervals with the groove width, and the high heat conducting portion 12b may be incorporated in the groove.

図3(B)に示すように、熱電変換層16は矩形の面形状を有し、第1基板12Aの全面が低熱伝導部12aである側の表面に、低熱伝導部12aと高熱伝導部12bとの境界と中心とを面方向で一致させて形成される。図3(B)において、第1基板12Aは、図3(D)を図中上下方向に表裏反転した状態になっている。
熱電変換層16の図3(B)の横方向の大きさは、高熱伝導部12bの幅に対して0.5倍から2.0倍未満の間に設定される。以下、図3(B)の横方向を単に『横方向』とも言う。すなわち、横方向とは、低熱伝導部12aと高熱伝導部12bとの交互の配列方向である。
熱電変換層16は、横方向に、低熱伝導部12aと高熱伝導部12bとの境界に対して、1境界置きに等間隔で形成される。すなわち、熱電変換層16は、横方向の中心が、高熱伝導部12bの幅の2倍の距離と同じ間隔で等間隔に形成される。
また、熱電変換層16は、横方向に等間隔に配列された熱電変換層16の列が、図3(B)の上下方向に等間隔で配列されるように、二次元的に形成される。以下、図3(B)の上下方向を単に『上下方向』とも言う。すなわち、上下方向とは、低熱伝導部12aと高熱伝導部12bの延在方向である。
さらに、図3(B)に示すように、熱電変換層16の横方向の配列は、上下方向に隣接する列では、高熱伝導部12bの幅の分だけ、横方向にズレて形成される。すなわち、上下方向に隣接する列では、熱電変換層16は、横方向の中心が、高熱伝導部12bの幅の分だけ、互い違いに形成される。
As shown in FIG. 3B, the thermoelectric conversion layer 16 has a rectangular surface shape, and the entire surface of the first substrate 12A is formed on the surface on the side that is the low heat conductive portion 12a, and the low heat conductive portion 12a and the high heat conductive portion 12b. The boundary and the center of are aligned in the plane direction. 3B, the first substrate 12A is in a state where FIG. 3D is reversed upside down in the vertical direction in the drawing.
The lateral size of the thermoelectric conversion layer 16 in FIG. 3B is set between 0.5 times and less than 2.0 times the width of the high heat conduction portion 12b. Hereinafter, the horizontal direction in FIG. 3B is also simply referred to as “horizontal direction”. That is, the horizontal direction is an alternate arrangement direction of the low heat conduction portions 12a and the high heat conduction portions 12b.
The thermoelectric conversion layer 16 is formed at equal intervals every other boundary with respect to the boundary between the low thermal conductivity portion 12a and the high thermal conductivity portion 12b in the lateral direction. That is, the thermoelectric conversion layer 16 is formed at equal intervals with the same center as the distance of twice the width of the high thermal conductive portion 12b.
Further, the thermoelectric conversion layers 16 are two-dimensionally formed so that the rows of the thermoelectric conversion layers 16 arranged at equal intervals in the horizontal direction are arranged at equal intervals in the vertical direction of FIG. . Hereinafter, the vertical direction in FIG. 3B is also simply referred to as “vertical direction”. That is, the up and down direction is the extending direction of the low heat conduction portion 12a and the high heat conduction portion 12b.
Furthermore, as shown in FIG. 3B, the arrangement in the horizontal direction of the thermoelectric conversion layers 16 is shifted in the horizontal direction by the width of the high thermal conduction portion 12b in the columns adjacent in the vertical direction. In other words, in the rows adjacent in the vertical direction, the thermoelectric conversion layers 16 are alternately formed with the horizontal centers corresponding to the widths of the high heat conduction portions 12b.

各熱電変換層16は、第1電極26(第2電極28)によって直列に接続される。具体的には、図3(B)に示すように、図中横方向の熱電変換層16の配列において、第1電極26が、各熱電変換層16を横方向に挟むように設けられる。これにより、横方向に配列された熱電変換層16が、第1電極26によって直列に接続される。なお、図3(B)では、構成を明確にするために、第1電極26に網掛けをしている。
熱電変換層16の横方向の列の端部では、上下方向に隣接する列の熱電変換層16が、第1電極26によって接続される。この横方向の列の端部での第1電極26による上下方向の熱電変換層16の接続は、一方の端部の熱電変換層16は上側の列の同側端部の熱電変換層16と接続され、他方の端部の熱電変換層16は下側の列の同側端部の熱電変換層16と接続される。
これにより、全ての熱電変換層16が、横方向に、複数回、折り返した1本の線のように直列で接続される。
The thermoelectric conversion layers 16 are connected in series by the first electrode 26 (second electrode 28). Specifically, as shown in FIG. 3B, in the arrangement of the thermoelectric conversion layers 16 in the horizontal direction in the drawing, the first electrode 26 is provided so as to sandwich each thermoelectric conversion layer 16 in the horizontal direction. Thereby, the thermoelectric conversion layers 16 arranged in the lateral direction are connected in series by the first electrode 26. In FIG. 3B, the first electrode 26 is shaded to clarify the configuration.
At the ends of the rows in the horizontal direction of the thermoelectric conversion layers 16, the thermoelectric conversion layers 16 in rows adjacent in the vertical direction are connected by the first electrode 26. The connection of the thermoelectric conversion layer 16 in the vertical direction by the first electrode 26 at the end of the horizontal row is such that the thermoelectric conversion layer 16 at one end is connected to the thermoelectric conversion layer 16 at the same end of the upper row. The thermoelectric conversion layer 16 at the other end is connected to the thermoelectric conversion layer 16 at the same end in the lower row.
Thereby, all the thermoelectric conversion layers 16 are connected in series like the one line | wire folded in multiple times in the horizontal direction.

図3(A)に概念的に示すように、熱電変換層16および第1電極26の上に、第2基板20Aの全面が低熱伝導部20aである側を下方にして、かつ、低熱伝導部12aと高熱伝導部12bとの境界を第1基板12Aと一致させて、第2基板20Aが積層される。この積層は、第1基板12Aの高熱伝導部12bと第2基板20Aの高熱伝導部20bとが、互い違いになるように行われる。
なお、図示はされないが、第2基板20Aの積層に先立ち、第1基板12Aを全面的に覆うように、熱電変換層16および第1電極26の上に粘着層18が形成される。
As conceptually shown in FIG. 3A, on the thermoelectric conversion layer 16 and the first electrode 26, the entire surface of the second substrate 20A is on the side where the low heat conductive portion 20a is located, and the low heat conductive portion. The second substrate 20A is laminated such that the boundary between 12a and the high thermal conductivity portion 12b coincides with the first substrate 12A. This stacking is performed so that the high thermal conductive portion 12b of the first substrate 12A and the high thermal conductive portion 20b of the second substrate 20A are alternated.
Although not shown, the adhesive layer 18 is formed on the thermoelectric conversion layer 16 and the first electrode 26 so as to cover the entire surface of the first substrate 12A prior to the lamination of the second substrate 20A.

従って、第1基板12Aの低熱伝導部12aと第2基板20Aの高熱伝導部20bのみの領域とが面方向に一致して対面し、第1基板12Aの高熱伝導部12bと第2基板20Aの低熱伝導部20aのみの領域とが面方向に一致して対面する。
これにより、本発明の熱電変換素子10を、複数、直列に接続してなる、本発明の熱電変換モジュールが構成される。
Therefore, the low heat conduction part 12a of the first substrate 12A and the region of the second substrate 20A only with the high heat conduction part 20b are aligned in the plane direction and face each other, and the high heat conduction part 12b of the first substrate 12A and the second substrate 20A The region of only the low heat conducting portion 20a faces the surface direction in alignment.
Thereby, the thermoelectric conversion module of this invention formed by connecting two or more thermoelectric conversion elements 10 of this invention in series is comprised.

ここで、前述のように、熱電変換層16の横方向の配列は、上下方向に隣接する列では、熱電変換層16の横方向の中心線が、高熱伝導部12b(すなわち高熱伝導部20b)の幅の分だけ、横方向にズレて形成される。すなわち、上下方向に隣接する列では、熱電変換層16は、熱電変換層16の横方向の中心線が、高熱伝導部12bの幅の分だけ、互い違いに形成される。
そのため、折り返した1本の線のように直列に接続された熱電変換層16は、接続方向の一方向の流れにおいて、全ての熱電変換層16が、一方の半分が第1基板12Aの高熱伝導部12bと第2基板20Aの低熱伝導部20aのみの領域とに対面し、他方の半分が第1基板12Aの低熱伝導部12aのみの領域と第2基板20Aの高熱伝導部20bとに対面する。
例えば、図3(B)の上から下への直列の接続方向で見た場合には、図3(A)〜図3(C)に示すように、全ての熱電変換層16が、上流側半分が第1基板12Aの高熱伝導部12bおよび第2基板20Aの低熱伝導部20aのみの領域に対面し、下流側の半分が第1基板12Aの低熱伝導部12aのみの領域および第2基板20Aの高熱伝導部20bに対面する。
従って、第1基板12A側もしくは第2基板20A側に熱源を配置した際に、直列に接続された全ての熱電変換層16で、接続方向に対する熱の流れ方向すなわち発電した電気の流れ方向が一致し、熱電変換モジュールが適正に発電を行うことができる。
Here, as described above, in the horizontal arrangement of the thermoelectric conversion layers 16, in the columns adjacent in the vertical direction, the horizontal center line of the thermoelectric conversion layers 16 is the high heat conduction portion 12b (that is, the high heat conduction portion 20b). This is formed by shifting in the horizontal direction by the width of. In other words, in the rows adjacent in the vertical direction, the thermoelectric conversion layers 16 are formed so that the horizontal center lines of the thermoelectric conversion layers 16 are staggered by the width of the high thermal conductivity portion 12b.
For this reason, the thermoelectric conversion layers 16 connected in series as a single folded line have all the thermoelectric conversion layers 16 in the flow in one direction of the connection direction, and one half of the thermoelectric conversion layers 16 is the high thermal conductivity of the first substrate 12A. The portion 12b faces the region of the second substrate 20A only of the low heat conduction portion 20a, and the other half faces the region of only the low heat conduction portion 12a of the first substrate 12A and the high heat conduction portion 20b of the second substrate 20A. .
For example, when viewed in the serial connection direction from the top to the bottom of FIG. 3B, as shown in FIGS. 3A to 3C, all the thermoelectric conversion layers 16 are upstream. Half of the first substrate 12A faces the region of only the high thermal conductivity portion 12b and the second substrate 20A of the low thermal conductivity portion 20a, and the half of the downstream side of the first substrate 12A of the region of only the low thermal conductivity portion 12a and the second substrate 20A. It faces the high heat conduction part 20b.
Therefore, when the heat source is arranged on the first substrate 12A side or the second substrate 20A side, the heat flow direction relative to the connection direction, that is, the flow direction of the generated electricity is the same in all the thermoelectric conversion layers 16 connected in series. And the thermoelectric conversion module can generate electricity properly.

以下に、図3(A)〜図3(D)に示す熱電変換モジュールの製造方法の一例を説明する。なお、熱電変換素子は、この熱電変換モジュールの製造方法に準じて製造できる。   Below, an example of the manufacturing method of the thermoelectric conversion module shown to FIG. 3 (A)-FIG. 3 (D) is demonstrated. In addition, a thermoelectric conversion element can be manufactured according to the manufacturing method of this thermoelectric conversion module.

まず、低熱伝導部12aおよび高熱伝導部12bを有する第1基板12A(第1基板12)、および、低熱伝導部20aおよび高熱伝導部20bを有する第2基板20A(第2基板20)を用意する。   First, a first substrate 12A (first substrate 12) having a low thermal conductivity portion 12a and a high thermal conductivity portion 12b, and a second substrate 20A (second substrate 20) having a low thermal conductivity portion 20a and a high thermal conductivity portion 20b are prepared. .

第1基板12Aおよび第2基板20Aは、フォトリソグラフィー、エッチング、成膜技術等を利用して、公知の方法で作製すればよい。
例えば、ポリイミドの両面に銅が積層された銅ポリイミドフィルムの一面を全てエッチングし、もう一方の面を高熱伝導部パターンとなるようにエッチングすることにより作成することができる。また、低熱伝導部となるシート状物を用意し、このシート状物に、帯状の高熱伝導部を延在方向と直交する方向に、帯の幅と等間隔で貼着して、第1基板12Aおよび第2基板20Aを作製すればよい。
なお、第1基板12Aおよび第2基板20Aは、市販品も利用可能である。
The first substrate 12A and the second substrate 20A may be manufactured by a known method using photolithography, etching, film formation technology, or the like.
For example, it can be formed by etching one side of a copper polyimide film in which copper is laminated on both sides of polyimide, and etching the other side so as to form a high heat conduction part pattern. In addition, a sheet-like material serving as a low heat conduction portion is prepared, and a belt-like high heat conduction portion is adhered to the sheet-like material in a direction orthogonal to the extending direction at equal intervals with the width of the belt. What is necessary is just to produce 12A and the 2nd board | substrate 20A.
Commercially available products can also be used for the first substrate 12A and the second substrate 20A.

次いで、熱電変換層16を形成する。
熱電変換層16の形成方法としては、一例として、水や有機溶剤等の溶剤に、CNT等のナノ炭素材料および有機酸、さらに必要に応じて添加される樹脂材料や界面活性剤等の成分を溶解あるいは分散してなるCNT分散液を調製する。このCNT分散液を、パターニングして第1基板12Aに塗布し、乾燥あるいはさらに樹脂材料等を硬化することで、熱電変換層16をパターニングして形成する方法が例示される。
あるいは、同様のナノ炭素材料および有機酸を含有するCNT分散液を、フィルタで濾過することにより、フィルタ上に有機酸を有するCNTの膜を形成する。このフィルタの上に形成されたCNTの膜をフィルタから剥離して、CNT薄膜を形成する。必要に応じて濾紙等を用いて過剰な液体を吸い取り、CNT薄膜を湿潤状態のまま第1基板12Aに載せ、必要に応じて成形する。さらに、湿潤状態のCNT薄膜を乾燥あるいはさらに樹脂材料等を硬化することで、熱電変換層16をパターニングして形成する方法も利用可能である。
ナノ炭素材料を含むCNT分散液等の調製は、公知の方法で行えばよい。この点に関しては、以下に示す方法も、同様である。
Next, the thermoelectric conversion layer 16 is formed.
As a method for forming the thermoelectric conversion layer 16, as an example, a component such as a nanocarbon material such as CNT and an organic acid, and a resin material or a surfactant added as necessary to a solvent such as water or an organic solvent. A dissolved or dispersed CNT dispersion is prepared. A method of patterning and forming the thermoelectric conversion layer 16 by patterning the CNT dispersion liquid, applying it to the first substrate 12A, and drying or further curing the resin material or the like is exemplified.
Alternatively, a CNT film containing an organic acid is formed on the filter by filtering a CNT dispersion containing the same nanocarbon material and organic acid through a filter. The CNT film formed on the filter is peeled off from the filter to form a CNT thin film. If necessary, excess liquid is sucked out using filter paper or the like, and the CNT thin film is placed on the first substrate 12A in a wet state, and is shaped as necessary. Furthermore, a method of patterning the thermoelectric conversion layer 16 by drying a wet CNT thin film or further curing a resin material or the like can also be used.
Preparation of a CNT dispersion containing a nanocarbon material may be performed by a known method. In this regard, the method described below is also the same.

別の方法として、同様の有機酸を含まないCNT分散液を調製する。このCNT分散液をフィルタで濾過することにより、フィルタ上にCNTの膜を形成する。フィルタの上に形成されたCNTの膜をフィルタから剥離して、乾燥することにより、CNT薄膜を作製する。このCNT薄膜を有機酸を含む溶液に浸漬した後、必要に応じて濾紙等を用いて過剰な液体を吸い取り、CNT薄膜を湿潤状態のまま第1基板12Aに載せ、必要に応じて成形する。さらに、湿潤状態のCNT薄膜を乾燥あるいはさらに樹脂材料等を硬化することで、熱電変換層16をパターニングして形成する方法も利用可能である。
別の方法として、同様の有機酸を含まないCNT分散液を調製して、このCNT分散液を第1基板12Aにパターニングして塗布、乾燥する。次いで、第1基板12Aを有機酸を含む溶液に浸漬することで薄膜に有機酸を含浸させる。さらに、有機酸を含浸させた薄膜を乾燥あるいはさらに樹脂材料の硬化を行うことにより、有機酸を含む熱電変換層をパターンニングして形成してもよい。
これらの方法において、有機酸を含む溶液への浸漬時間は、溶液における有機酸の濃度、有機酸の種類、熱電変換層の組成等に応じて、適宜、設定すればよい。
As another method, a similar CNT dispersion containing no organic acid is prepared. By filtering this CNT dispersion with a filter, a CNT film is formed on the filter. The CNT thin film formed on the filter is peeled off from the filter and dried to produce a CNT thin film. After immersing this CNT thin film in a solution containing an organic acid, if necessary, excess liquid is sucked using a filter paper or the like, and the CNT thin film is placed on the first substrate 12A in a wet state and molded as necessary. Furthermore, a method of patterning the thermoelectric conversion layer 16 by drying a wet CNT thin film or further curing a resin material or the like can also be used.
As another method, a similar CNT dispersion containing no organic acid is prepared, and this CNT dispersion is patterned on the first substrate 12A and applied and dried. Next, the thin film is impregnated with the organic acid by immersing the first substrate 12A in a solution containing the organic acid. Further, the thin film impregnated with the organic acid may be formed by patterning the thermoelectric conversion layer containing the organic acid by drying or further curing the resin material.
In these methods, the immersion time in the solution containing the organic acid may be appropriately set according to the concentration of the organic acid in the solution, the type of the organic acid, the composition of the thermoelectric conversion layer, and the like.

別の方法として、2つの方法と同様にして、ナノ炭素材料と有機酸とを含む薄膜、塊、繊維状物等を作製する。
これらを解砕して、樹脂材料や溶剤等に分散して塗布液を調製し、塗布液をパターニングして第1基板12Aに塗布し、乾燥あるいはさらに樹脂材料等を硬化することで、熱電変換層16を形成する方法が例示される。
As another method, a thin film, a lump, a fibrous material or the like containing a nanocarbon material and an organic acid is produced in the same manner as the two methods.
These are crushed and dispersed in a resin material or solvent to prepare a coating solution. The coating solution is patterned and applied to the first substrate 12A, and dried or further cured to cure the resin material. A method of forming layer 16 is illustrated.

CNT分散液をパターニングして塗布する方法は、公知の方法が利用可能である。
一例として、印刷法によって、第1基板12AにCNT分散液等をパターン印刷する方法が例示される。印刷方法は、スクリーン印刷、メタルマスク印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷等、公知の各種の印刷法が利用可能である。
また、第1基板12A上の所定位置に型枠やマスクを設け、この型枠やマスクによって、CNT分散液やペーストをパターニングして塗布する方法も利用可能である。
As a method of applying the CNT dispersion by patterning, a known method can be used.
As an example, a method of pattern printing a CNT dispersion liquid or the like on the first substrate 12A by a printing method is exemplified. As the printing method, various known printing methods such as screen printing, metal mask printing, gravure printing, flexographic printing, offset printing, and inkjet printing can be used.
Further, it is also possible to use a method in which a mold or mask is provided at a predetermined position on the first substrate 12A, and a CNT dispersion liquid or paste is applied by patterning using the mold or mask.

さらに、CNT分散液等をパターニングして塗布するのではなく、第1基板12Aの全面にCNT分散液やペーストを塗布、乾燥した後、レーザー彫刻、サンドブラスト法、電子ビーム法、プラズマエッチング等のエッチングによって不要な部分を除去することにより、熱電変換層16をパターニングして形成する方法も、利用できる。
なお、エッチングは、必要に応じて、フォトリソグラフィーを利用して形成したマスクや、メタルマスク等を用いて行ってもよい。
Further, instead of patterning and applying the CNT dispersion liquid, etc., after applying and drying the CNT dispersion liquid and paste on the entire surface of the first substrate 12A, etching such as laser engraving, sandblasting, electron beam method, plasma etching, etc. A method of forming the thermoelectric conversion layer 16 by patterning by removing unnecessary portions can be used.
Note that etching may be performed using a mask formed using photolithography, a metal mask, or the like, if necessary.

次いで、熱電変換層16を面方向で挟むように、第1電極26および第2電極28を形成する。
第1電極26および第2電極28の形成は、第1電極26および第2電極28の形成材料等に応じて、蒸着、印刷、粘着・接着剤などを介しての基板への貼り付け等、公知の方法で行えばよい。印刷方法としては、例えば、スクリーン印刷、メタルマスク印刷、インクジェット印刷などが例示される。
電極パターンは、蒸着や印刷時にマスクを用いて形成してもよく、電極を面で形成後に、エッチング、サンドブラスト、レーザー彫刻、電子ビーム法等、公知の方法でパターニングして形成してもよい。
なお、第1電極26および第2電極28の形成は、熱電変換層16の形成に先立って行ってもよいのは、前述のとおりである。
Next, the first electrode 26 and the second electrode 28 are formed so as to sandwich the thermoelectric conversion layer 16 in the plane direction.
The formation of the first electrode 26 and the second electrode 28 is performed by vapor deposition, printing, adhesion to a substrate via an adhesive / adhesive, etc., depending on the material for forming the first electrode 26 and the second electrode 28, etc. What is necessary is just to perform by a well-known method. Examples of the printing method include screen printing, metal mask printing, ink jet printing, and the like.
The electrode pattern may be formed using a mask during vapor deposition or printing, and may be formed by patterning by a known method such as etching, sandblasting, laser engraving, or electron beam method after the electrode is formed on the surface.
As described above, the first electrode 26 and the second electrode 28 may be formed prior to the formation of the thermoelectric conversion layer 16.

次いで、第1基板12Aの全面に対応して、熱電変換層16、第1電極26および第2電極28を覆って、粘着層18を形成する。
粘着層18は、粘着層18の形成材料に応じて、塗布法等の公知の方法で形成すればよい。また、両面テープや粘着フィルムを利用して粘着層18を形成してもよいのは、前述のとおりである。
Next, the adhesive layer 18 is formed so as to cover the entire surface of the first substrate 12A and cover the thermoelectric conversion layer 16, the first electrode 26, and the second electrode 28.
The adhesive layer 18 may be formed by a known method such as a coating method depending on the material for forming the adhesive layer 18. Moreover, as described above, the adhesive layer 18 may be formed using a double-sided tape or an adhesive film.

さらに、用意した第2基板20Aを、高熱伝導部20bが形成されていない側を向けて、熱電変換層16に貼着して、熱電変換モジュール(熱電変換素子10)を作製する。
あるいは、第1基板12Aに粘着層18を形成するのではなく、第2基板20Aの高熱伝導部20bが形成されていない面に粘着層18を形成して、第1基板12Aに貼着することで、熱電変換モジュール(熱電変換素子10)を作製してもよい。
Furthermore, the prepared second substrate 20A is attached to the thermoelectric conversion layer 16 with the side where the high heat conduction portion 20b is not formed, and the thermoelectric conversion module (thermoelectric conversion element 10) is manufactured.
Alternatively, instead of forming the adhesive layer 18 on the first substrate 12A, the adhesive layer 18 is formed on the surface of the second substrate 20A where the high thermal conductive portion 20b is not formed, and is adhered to the first substrate 12A. Thus, a thermoelectric conversion module (thermoelectric conversion element 10) may be manufactured.

このような本発明の熱電変換素子および熱電変換モジュールは、各種の用途に利用可能である。
一例として、温泉熱発電機、太陽熱発電機、廃熱発電機などの発電機や、腕時計用電源、半導体駆動電源、小型センサ用電源などの各種装置(デバイス)の電源等、様々な発電用途が例示される。また、本発明の熱電変換素子の用途としては、発電用途以外にも、感熱センサや熱電対などのセンサ素子用途も例示される。
Such a thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module of the present invention can be used for various applications.
Examples include various power generation applications such as hot spring thermal generators, solar thermal generators, waste heat generators, and other devices (devices) such as wristwatch power supplies, semiconductor drive power supplies, and small sensor power supplies. The Moreover, as a use of the thermoelectric conversion element of this invention, sensor element uses, such as a thermal sensor and a thermocouple, are illustrated besides a power generation use.

以上、本発明の熱電変換素子および熱電変換モジュールについて詳細に説明したが、本発明は前述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。   As described above, the thermoelectric conversion element and the thermoelectric conversion module of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described examples, and various improvements and modifications may be made without departing from the gist of the present invention. Of course it is good.

以下、本発明の具体的実施例を挙げて、本発明について、より詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples of the present invention. However, the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1]
図5に概念的に示す熱電変換素子を作製した。
単層CNT(名城ナノカーボン社製)60mgを、2−ブタノン60mL(リットル)に添加して、メカニカルホモジナイザー(エスエムテー社製、ハイフレックスホモジナイザー)を用いて18000rpm、5分間攪拌処理を行い、CNT分散液Aを得た。
得られたCNT分散液Aを、メンブレンフィルタ(材質:PTFE(polytetrafluoroethylene)、孔径:1μm)で濾過することで、メンブレンフィルタ上にCNTの膜を形成した。このCNTの膜を、メンブレンフィルタから剥離し、145℃のホットプレートで乾燥することにより、CNT薄膜Aを得た。
[Example 1]
A thermoelectric conversion element conceptually shown in FIG. 5 was produced.
60 mg of single-walled CNT (manufactured by Meijo Nanocarbon Co., Ltd.) is added to 60 mL (liter) of 2-butanone, and stirred at 18000 rpm for 5 minutes using a mechanical homogenizer (manufactured by SMT Co., Ltd., High Flex Homogenizer) to disperse the CNT. Liquid A was obtained.
The obtained CNT dispersion A was filtered through a membrane filter (material: PTFE (polytetrafluoroethylene), pore diameter: 1 μm) to form a CNT film on the membrane filter. The CNT film was peeled from the membrane filter and dried on a hot plate at 145 ° C. to obtain a CNT thin film A.

一方で、第1基板12として、厚さ75μm、30×66mmのポリイミドフィルムの片面に、厚さ70μm、30×10mmの銅箔が貼着されている銅ポリイミドフィルムを用意した。銅ポリイミドフィルムは、ポリイミドフィルムの長手方向の中線を基線(一点鎖線)とし、一方の長辺を基線に一致して、銅箔が貼着されている。
さらに、第1基板12の銅箔が貼着されていない面に、金を蒸着することにより、幅6mm、長さ30mm、厚さ200nmの電極26および28を形成した。電極26および28は、幅方向の中心を第1基板12の短手方向の中心と一致して、第1基板12の中央に6×6mmの間隙を挟んで、第1基板12の長手方向に対称になるよう配置した。なお、第1基板12上の電極形成部には、予め、下地層として厚さ50nmのクロム層を形成しておいた。
さらに、第2基板20として、厚さ75μm、30×50mmのポリイミドフィルムの片面に、厚さ70μm、30×10mmの銅箔が貼着されている銅ポリイミドフィルムを用意した。この銅ポリイミドフィルムも、ポリイミドフィルムの長手方向の中線を基線(一点鎖線)とし、一方の長辺を基線に一致して、銅箔が貼着されている。
このような第1基板12および第2基板20(銅ポリイミドフィルム)では、銅箔が高熱伝導部、銅箔が貼着されていないポリイミドフィルムのみの領域が低熱伝導部になる。
On the other hand, a copper polyimide film having a thickness of 70 μm and a thickness of 30 × 10 mm bonded to one surface of a polyimide film having a thickness of 75 μm and 30 × 66 mm was prepared as the first substrate 12. The copper polyimide film has a middle line in the longitudinal direction of the polyimide film as a base line (one-dot chain line), and one long side coincides with the base line, and a copper foil is attached.
Furthermore, electrodes 26 and 28 having a width of 6 mm, a length of 30 mm, and a thickness of 200 nm were formed by depositing gold on the surface of the first substrate 12 on which the copper foil was not adhered. The electrodes 26 and 28 are aligned in the longitudinal direction of the first substrate 12 with a 6 × 6 mm gap in the center of the first substrate 12 with the center in the width direction coinciding with the center in the short direction of the first substrate 12. Arranged to be symmetrical. Note that a chromium layer having a thickness of 50 nm was previously formed as an underlayer on the electrode forming portion on the first substrate 12.
Furthermore, as the second substrate 20, a copper polyimide film was prepared in which a 70 μm thick, 30 × 10 mm copper foil was bonded to one side of a 75 μm thick, 30 × 50 mm polyimide film. This copper polyimide film also has a copper foil attached so that the middle line in the longitudinal direction of the polyimide film is a base line (one-dot chain line) and one long side coincides with the base line.
In such a 1st board | substrate 12 and the 2nd board | substrate 20 (copper polyimide film), a copper foil becomes a high heat conductive part, and the area | region only of the polyimide film in which copper foil is not stuck becomes a low heat conductive part.

先に作製したCNT薄膜Aを、濃度5mM/L(リットル)の安息香酸のエタノール溶液に16時間、浸漬した。以下、安息香酸のエタノール溶液を『安息香酸エタノール溶液』とも言う。
安息香酸エタノール溶液に浸漬したCNT薄膜Aから、過剰な溶液をろ紙で吸取った後、湿潤状態のままCNT薄膜Aを第1基板12の電極形成面の中央に載置した。CNT薄膜Aを載置した第1基板12を、ホットプレート上で145℃で乾燥することにより、CNT薄膜Aを密着・固定して、平均厚さ15μmの熱電変換層16を作製した。
なお、CNT薄膜Aは、湿潤状態で10×10mmに成形して、前述の電極によって挟まれる第1基板12の中央の6×6mmの領域が中心となるように載置した。従って、熱電変換層16は、第1基板12の長手方向の両端部2mmが、共に、電極26および28の上に載置された状態となる。
The previously prepared CNT thin film A was immersed in an ethanol solution of benzoic acid having a concentration of 5 mM / L (liter) for 16 hours. Hereinafter, an ethanol solution of benzoic acid is also referred to as “benzoic acid ethanol solution”.
After excess solution was blotted with filter paper from the CNT thin film A immersed in the benzoic acid ethanol solution, the CNT thin film A was placed in the center of the electrode formation surface of the first substrate 12 in a wet state. The first substrate 12 on which the CNT thin film A was placed was dried at 145 ° C. on a hot plate, whereby the CNT thin film A was adhered and fixed, and the thermoelectric conversion layer 16 having an average thickness of 15 μm was produced.
The CNT thin film A was formed in a wet state to 10 × 10 mm, and placed so that the center 6 × 6 mm region of the first substrate 12 sandwiched between the electrodes was the center. Therefore, the thermoelectric conversion layer 16 is in a state where both end portions 2 mm in the longitudinal direction of the first substrate 12 are placed on the electrodes 26 and 28.

一方、第2基板20の全面がポリイミドフィルムである面に、粘着層18として厚さ25μmの両面テープ(接着剤転写テープ8146−1、3M社製)を貼着した。
第1基板12と第2基板20とを基線を一致させて、かつ、第1基板12と第2基板20とで、高熱伝導部と低熱伝導部とが互い違いになるように、粘着層18を第1基板12側に向けて積層し、貼着した。これにより、図5に示すような、in plane型の熱電変換素子を作製した。
On the other hand, a double-sided tape (adhesive transfer tape 8146-1, 3M) having a thickness of 25 μm was adhered as the adhesive layer 18 to the surface of the second substrate 20 that was a polyimide film.
The adhesive layer 18 is formed so that the first substrate 12 and the second substrate 20 have the same base line, and the first substrate 12 and the second substrate 20 have a high thermal conductivity portion and a low thermal conductivity portion alternated. It laminated | stacked and stuck toward the 1st board | substrate 12 side. As a result, an in-plane type thermoelectric conversion element as shown in FIG. 5 was produced.

[実施例2]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lの1−ナフトエ酸のエタノール溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 2]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, an ethanol solution of 1-naphthoic acid having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution.

[実施例3]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lの1−ピレンカルボン酸の2−ブタノン溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 3]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, a 2-butanone solution of 1-pyrenecarboxylic acid having a concentration of 5 mM / L was used instead of the ethanolic benzoate solution. .

[実施例4]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lのトリメシン酸のエタノール溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 4]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, an ethanol solution of trimesic acid having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution.

[実施例5]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lの酢酸水溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 5]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, an acetic acid aqueous solution having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution.

[実施例6]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lのプロピオン酸水溶液(5mM)を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 6]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, a propionic acid aqueous solution (5 mM) having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution.

[実施例7]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lのシクロヘキサンカルボン酸のエタノール溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 7]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, an ethanol solution of cyclohexanecarboxylic acid having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution.

[実施例8]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lのスクアリン酸水溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 8]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, a succinic acid aqueous solution having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution.

[実施例9]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lのアジピン酸水溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 9]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, an adipic acid aqueous solution having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution.

[実施例10]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lのこはく酸水溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 10]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, a succinic acid aqueous solution having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution.

[実施例11]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lのフェニルホスホン酸水溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換層を得た。さらに、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 11]
A thermoelectric conversion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, a phenylphosphonic acid aqueous solution having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution. Further, a thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1.

[実施例12]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lのp−トルエンスルホン酸・一水和物水溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 12]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that a p-toluenesulfonic acid / monohydrate aqueous solution having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution in the immersion of the CNT thin film A. did.

[実施例13]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lのp−ヒドロキシ安息香酸のエタノール溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 13]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, an ethanol solution of p-hydroxybenzoic acid having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution.

[実施例14]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lのカンファースルホン酸のエタノール溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 14]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, an ethanol solution of camphorsulfonic acid having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution.

[比較例1]
実施例1で作製したCNT薄膜Aを、安息香酸エタノール溶液に浸漬させずに、そのまま熱電変換層として用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。すなわち、この熱電変換素子の熱電変換層は、有機酸を含まない。
[Comparative Example 1]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the CNT thin film A produced in Example 1 was used as it was as the thermoelectric conversion layer without being immersed in the benzoic acid ethanol solution. That is, the thermoelectric conversion layer of this thermoelectric conversion element does not contain an organic acid.

[比較例2]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lの塩酸水溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Comparative Example 2]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that, in the immersion of the CNT thin film A, a hydrochloric acid aqueous solution having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution.

作製した実施例1〜14、ならびに、比較例1および2の熱電変換素子について、熱電変換性能と、素子の電気的安定性を評価した。   About the produced thermoelectric conversion elements of Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 and 2, the thermoelectric conversion performance and the electrical stability of the elements were evaluated.

[熱電変換性能の評価]
<導電率の測定>
各実施例および比較例で作製した熱電変換素子の熱電変換層16の導電率は、第2基板20を貼着する前の形態で測定した。
測定は、低抵抗率計(三菱化学アナリテック社製、ロレスタGP)を用い、表面抵抗率(単位:Ω/□)を測定し、熱電変換層16の平均厚さ(単位:cm)を用いて、下記式より導電率(S/cm)を算出した。
(導電率)=1/((表面抵抗率)×(平均厚さ))
なお、実施例1〜14、比較例1および2においては、CNTの量が同一であるので、熱電変換層16の平均厚さは、ほぼ均一である。
<ゼーベック係数の測定>
ゼーベック係数Sは、物質に付与する温度差ΔTと、温度差を付与した時に発生する電圧Vと、下記式のように関連付けられる。
S=V/ΔT
各実施例および比較例にて作製した熱電変換素子を、第1基板12側を下にしてホットプレートに載置し、かつ、第2基板20の上に温度制御用のペルチェ素子を設置した。ホットプレートの温度を100℃で一定に保って、ペルチェ素子の温度を低下することにより、熱電変換素子の第1基板12と第2基板20との間に、5℃、10℃の温度差ΔTを付与し、各温度差付与時の電圧Vを計測し、各温度差と電圧の比例係数を算出することで、ゼーベック係数S(単位:μV/K)を見積もった。
[Evaluation of thermoelectric conversion performance]
<Measurement of conductivity>
The conductivity of the thermoelectric conversion layer 16 of the thermoelectric conversion element produced in each example and comparative example was measured in the form before the second substrate 20 was attached.
The measurement is performed using a low resistivity meter (Mitsubishi Chemical Analytech, Loresta GP), measuring the surface resistivity (unit: Ω / □), and using the average thickness (unit: cm) of the thermoelectric conversion layer 16. The electrical conductivity (S / cm) was calculated from the following formula.
(Conductivity) = 1 / ((Surface resistivity) × (Average thickness))
In Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 and 2, since the amount of CNT is the same, the average thickness of the thermoelectric conversion layer 16 is substantially uniform.
<Measurement of Seebeck coefficient>
The Seebeck coefficient S is related to the temperature difference ΔT applied to the substance, the voltage V generated when the temperature difference is applied, and the following equation.
S = V / ΔT
The thermoelectric conversion elements produced in each example and comparative example were placed on a hot plate with the first substrate 12 side down, and a temperature control Peltier element was placed on the second substrate 20. By keeping the temperature of the hot plate constant at 100 ° C. and decreasing the temperature of the Peltier element, a temperature difference ΔT of 5 ° C. and 10 ° C. between the first substrate 12 and the second substrate 20 of the thermoelectric conversion element. The voltage V when each temperature difference was applied was measured, and the Seebeck coefficient S (unit: μV / K) was estimated by calculating the proportionality coefficient between each temperature difference and the voltage.

<導電率の評価>
下記式により、各実施例および比較例の規格化導電率を算出し、以下のように評価した。
規格化導電率=(各実施例または比較例の導電率)/(比較例1の導電率)
A: 規格化導電率が1.5以上
B: 規格化導電率が1.3以上、1.5未満
C: 規格化導電率が1.1以上、1.3未満
D: 規格化導電率が1.1未満
Aが最も導電性に優れ、A、B、C、Dの順に性能に劣る。
<Evaluation of conductivity>
The normalized conductivity of each example and comparative example was calculated by the following formula and evaluated as follows.
Normalized conductivity = (conductivity of each example or comparative example) / (conductivity of comparative example 1)
A: Normalized conductivity is 1.5 or more B: Normalized conductivity is 1.3 or more and less than 1.5 C: Normalized conductivity is 1.1 or more and less than 1.3 D: Normalized conductivity is Less than 1.1 A is most excellent in conductivity and inferior in performance in the order of A, B, C and D.

<熱起電力の評価>
下記式により、各実施例および比較例の規格化ゼーベック係数を算出し、以下のように評価した。
規格化ゼーベック係数=(各実施例または比較例のゼーベック係数)/(比較例1のゼーベック係数)
A: 規格化ゼーベック係数が0.9以上
B: 規格化ゼーベック係数が0.7以上、0.9未満
C: 規格化ゼーベック係数が0.5以上、0.7未満
D: 規格化ゼーベック係数が0.5未満
Aが最も熱起電力として優れ、A、B、C、Dの順に性能に劣る。
<Evaluation of thermoelectromotive force>
The normalized Seebeck coefficient of each example and comparative example was calculated by the following formula and evaluated as follows.
Normalized Seebeck coefficient = (Seebeck coefficient of each example or comparative example) / (Seebeck coefficient of comparative example 1)
A: Normalized Seebeck coefficient is 0.9 or more B: Normalized Seebeck coefficient is 0.7 or more and less than 0.9 C: Normalized Seebeck coefficient is 0.5 or more and less than 0.7 D: Normalized Seebeck coefficient is Less than 0.5 A is the best thermoelectromotive force, and the performance is in the order of A, B, C, D.

<パワーファクター>
得られた値から、下記式を用いてパワーファクター(PF)を算出した。
PF=S2×σ[W/K2・m]
下記式により、各実施例および比較例の規格化PF係数を算出し、以下のように評価した。
規格化PF係数=(各実施例または比較例のPF)/(比較例1のPF)
A: 規格化PFが1.5以上
B: 規格化PFが1.3以上、1.5未満
C: 規格化PFが1.1以上、1.3未満
D: 規格化PFが1.1未満
Aが最も優れ、A、B、C、Dの順に性能に劣る。
<Power factor>
From the obtained value, the power factor (PF) was calculated using the following formula.
PF = S 2 × σ [W / K 2 · m]
The normalized PF coefficient of each example and comparative example was calculated by the following formula and evaluated as follows.
Normalized PF coefficient = (PF of each example or comparative example) / (PF of comparative example 1)
A: Standardized PF is 1.5 or more B: Standardized PF is 1.3 or more and less than 1.5 C: Standardized PF is 1.1 or more and less than 1.3 D: Standardized PF is less than 1.1 A is the best, and the performance is in the order of A, B, C, D.

[素子の電気的安定性の評価]
各実施例および比較例にて作製した熱電変換素子の抵抗[Ω]を、低抵抗率計(ロレスタGP、三菱化学アナリテック社製)を用いて作製直後と7日後に測定を行い、それぞれの抵抗値の比率(抵抗変化率)を指標として電気的安定性を評価した。
抵抗変化率=抵抗値(素子作製7日後)/抵抗値(素子作製直後)
抵抗変化率を、以下のように評価した。
A: 1.1未満
B: 1.1以上、1.5未満
C: 1.5以上、2未満
D: 2以上
Aが最も電気的安定性に優れ、A,B、C,Dの順に安定性に劣る。
結果を表1に示す。
[Evaluation of device electrical stability]
The resistance [Ω] of the thermoelectric conversion element produced in each example and comparative example was measured immediately after production and after 7 days using a low resistivity meter (Loresta GP, manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech). Electrical stability was evaluated using the ratio of resistance values (resistance change rate) as an index.
Resistance change rate = resistance value (7 days after device fabrication) / resistance value (immediately after device fabrication)
The rate of change in resistance was evaluated as follows.
A: Less than 1.1 B: 1.1 or more, less than 1.5 C: 1.5 or more, less than 2 D: 2 or more A is the most excellent in electrical stability and stable in the order of A, B, C, D Inferior to sex.
The results are shown in Table 1.

表1から明らかなように、単層CNT薄膜を有機酸溶液に含浸させて得た実施例1〜14は、熱電変換性能に優れ、熱電変換素子の電気的安定性に優れることが確認できた。
中でも、カルボン酸を用いた実施例1〜10、13はより優れた効果を示し、特に、実施例1〜4、13の芳香族カルボン酸はさらに優れた効果を示した。
また、実施例1〜10、13を比較すると、カルボン酸の融点が100℃以上または沸点が200℃以上である実施例(実施例1〜4、7〜10、13)はより優れた効果を示し、カルボン酸の融点が100℃以上で且つ沸点が200℃以上のである実施例(実施例1〜4、8〜10、13)はさらに優れた効果を示した。
なお、比較例2では、電気的安定性の評価後に、塩酸によって電極が一部腐食しているのが観察された。
As is apparent from Table 1, Examples 1 to 14 obtained by impregnating the single-walled CNT thin film with an organic acid solution were found to have excellent thermoelectric conversion performance and excellent electrical stability of the thermoelectric conversion element. .
Especially, Examples 1-10 and 13 using carboxylic acid showed the more excellent effect, and especially the aromatic carboxylic acid of Examples 1-4, 13 showed the further outstanding effect.
In addition, when Examples 1 to 10 and 13 are compared, Examples (Examples 1 to 4, 7 to 10 and 13) in which the melting point of the carboxylic acid is 100 ° C. or higher or the boiling point is 200 ° C. or higher have more excellent effects. Examples where the melting point of the carboxylic acid is 100 ° C. or higher and the boiling point is 200 ° C. or higher (Examples 1 to 4, 8 to 10 and 13) showed further excellent effects.
In Comparative Example 2, it was observed that the electrode was partially corroded by hydrochloric acid after evaluation of electrical stability.

[実施例15]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度0.2w/v%のポリ(4−スチレンスルホン酸)水溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 15]
In the immersion of the CNT thin film A, a thermoelectric conversion element was prepared in the same manner as in Example 1, except that an aqueous poly (4-styrenesulfonic acid) solution having a concentration of 0.2 w / v% was used instead of the benzoic acid ethanol solution. Produced.

[実施例16]
CNT薄膜Aの浸漬において、安息香酸エタノール溶液の代わりに、濃度5mM/Lのポリ(ビニルホスホン酸)水溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 16]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that in the immersion of the CNT thin film A, a poly (vinylphosphonic acid) aqueous solution having a concentration of 5 mM / L was used instead of the benzoic acid ethanol solution.

作製した熱電変換素子について、実施例1等と同様に、熱電変換性能および素子の電気的安定性を評価した。
結果を下記の表2に示す。なお、実施例15および16で用いた有機酸は、融点および沸点が共に、不明であった。
About the produced thermoelectric conversion element, similarly to Example 1 etc., the thermoelectric conversion performance and the electrical stability of the element were evaluated.
The results are shown in Table 2 below. The organic acids used in Examples 15 and 16 were unclear in both melting point and boiling point.


表2から明らかなように、有機酸として有機酸ポリマー(ポリマー酸)を用いても、熱電変換性能に優れ、特に、電気的安定性に優れることが確認できた。

As is apparent from Table 2, it was confirmed that even when an organic acid polymer (polymer acid) was used as the organic acid, the thermoelectric conversion performance was excellent, and in particular, the electrical stability was excellent.

[実施例17]
単層CNT(名城ナノカーボン社製)5mgと安息香酸15mgとを、20mLのエタノールに添加して、メカニカルホモジナイザー(テラオカ社製 ハイフレックスホモジナイザー)を用いて18000rpm、5分間攪拌処理を行い、CNT分散液Bを得た。
得られたCNT分散液Bを、メンブレンフィルタ(材質:PTFE、孔径:1μm)で濾過することで、メンブレンフィルタの上にCNTの膜を形成した。
メンブレンフィルタからCNTの膜を剥がして、過剰な溶液をろ紙で吸い取ることにより、湿潤状態のCNT薄膜Bとした。
この湿潤状態のCNT薄膜Bを第1基板12に載置して、熱電変換層16を形成した以外は、実施例1と同様にして、図5に示すような、in plane型の熱電変換素子を作製した。なお、熱電変換層16の平均厚さは17μmであった。
[Example 17]
Single-walled CNT (manufactured by Meijo Nanocarbon Co., Ltd.) 5 mg and benzoic acid 15 mg are added to 20 mL of ethanol, and stirred at 18000 rpm for 5 minutes using a mechanical homogenizer (Teraoka High Flex Homogenizer) to disperse CNTs. Liquid B was obtained.
The obtained CNT dispersion B was filtered through a membrane filter (material: PTFE, pore size: 1 μm) to form a CNT film on the membrane filter.
The CNT film was peeled off from the membrane filter, and excess solution was blotted with a filter paper to obtain a wet CNT thin film B.
The in-plane type thermoelectric conversion element as shown in FIG. 5 is the same as in Example 1 except that the wet CNT thin film B is placed on the first substrate 12 to form the thermoelectric conversion layer 16. Was made. The average thickness of the thermoelectric conversion layer 16 was 17 μm.

[実施例18]
CNT分散液Bの調製において、安息香酸15mgの代わりに、1−ナフトエ酸20mgを、エタノール20mLの変わりに2−ブタノン20mLを、それぞれ用いた以外は、実施例17と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 18]
In the preparation of the CNT dispersion B, a thermoelectric conversion element was obtained in the same manner as in Example 17 except that 20 mg of 1-naphthoic acid was used instead of 15 mg of benzoic acid, and 20 mL of 2-butanone was used instead of 20 mL of ethanol. Was made.

作製した熱電変換素子について、実施例1等と同様に、熱電変換性能および素子の電気的安定性を評価した。
結果を下記の表3に示す。
About the produced thermoelectric conversion element, similarly to Example 1 etc., the thermoelectric conversion performance and the electrical stability of the element were evaluated.
The results are shown in Table 3 below.


表3から明らかなように、単層CNTと有機酸とを共に投入したCNT塗布液Bを用いて熱電変換層形成材料を作製し、熱電変換層を形成した場合でも、熱電変換性能と電気的安定性に優れる熱電変換素子が得られることが確認できた。

As is apparent from Table 3, even when a thermoelectric conversion layer forming material is produced using the CNT coating solution B in which single-walled CNT and an organic acid are added together, and the thermoelectric conversion layer is formed, the thermoelectric conversion performance and electrical It was confirmed that a thermoelectric conversion element excellent in stability was obtained.

[実施例19]
実施例18と同様にしてCNT薄膜Bを作製した。
作製した50mgのCNT薄膜Bと、ポリスチレン(和光純薬製、重合度2000)150mgとを、o−ジクロロベンゼン20mLに投入して、メカニカルホモジナイザー(テラオカ社製 ハイフレックスホモジナイザー)を用いて18000rpm、5分間攪拌処理した。さらに、高速旋回薄膜分散法(フィルミックス、プライミクス社製)を用いて周速30m/s、5分間攪拌処理を行い、CNT分散液Cを得た。
[Example 19]
A CNT thin film B was produced in the same manner as in Example 18.
50 mg of the produced CNT thin film B and 150 mg of polystyrene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, degree of polymerization 2000) are put into 20 mL of o-dichlorobenzene, and 18000 rpm, 5 using a mechanical homogenizer (High Flex homogenizer manufactured by Terraoka). Stir for a minute. Furthermore, using a high-speed swirling thin film dispersion method (Filmix, manufactured by Primix Co., Ltd.), a stirring process was performed at a peripheral speed of 30 m / s for 5 minutes to obtain a CNT dispersion C.

実施例1と同様の電極を形成した第1基板12に10×10mmの型枠を載置し、その中に、作製したCNT分散液Cを流し込み、200℃で乾燥することにより、10×10mmで、厚さ12μmの熱電変換層16を形成した。なお、熱電変換層16は、実施例1と同じ位置に形成した。
これ以降は、実施例1と同様にして、図5に示すような、in plane型の熱電変換素子を作製した。
A 10 × 10 mm mold is placed on the first substrate 12 on which the same electrode as in Example 1 is formed, and the produced CNT dispersion C is poured into the mold and dried at 200 ° C. to obtain 10 × 10 mm. Thus, a thermoelectric conversion layer 16 having a thickness of 12 μm was formed. The thermoelectric conversion layer 16 was formed at the same position as in Example 1.
Thereafter, in-plane type thermoelectric conversion elements as shown in FIG. 5 were produced in the same manner as in Example 1.

[実施例20]
CNT分散液Bの調製において、1−ナフトエ酸20mgに変えて、1−ピレンカルボン酸29mgを用いた以外は、実施例18と同様にCNT薄膜を作製した。
このCNT薄膜を用いてCNT分散液Cを調製した以外は、実施例19と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 20]
In the preparation of CNT dispersion B, a CNT thin film was prepared in the same manner as in Example 18 except that 29 mg of 1-pyrenecarboxylic acid was used instead of 20 mg of 1-naphthoic acid.
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 19 except that the CNT dispersion C was prepared using this CNT thin film.

[比較例3]
1−ナフトエ酸を用いなかったこと以外は、実施例19と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Comparative Example 3]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 19 except that 1-naphthoic acid was not used.

作製した熱電変換素子について、規格化時の比較例として比較例3の値を用いたこと以外は、実施例1等と同様に、熱電変換性能および素子の電気的安定性を評価した。
結果を下記の表4に示す。なお、1−ピレンカルボン酸の沸点は不明であった。
About the produced thermoelectric conversion element, the thermoelectric conversion performance and the electrical stability of the element were evaluated similarly to Example 1 etc. except having used the value of the comparative example 3 as a comparative example at the time of normalization.
The results are shown in Table 4 below. The boiling point of 1-pyrenecarboxylic acid was unknown.


表4から明らかなように、単層CNTおよび有機酸に加え、バインダを用いた場合でも、熱電変換性能と電気的安定性に優れる熱電変換素子が得られることが確認できた。

As is clear from Table 4, it was confirmed that a thermoelectric conversion element having excellent thermoelectric conversion performance and electrical stability was obtained even when a binder was used in addition to single-walled CNT and organic acid.

[実施例21]
CNT分散液Bの調製において、単層CNT5mgに代えて、鱗片状グラフェン(XG、Sciences社製)5mgを、安息香酸15mgに変えて1−ナフトエ酸20mgを、それぞれ用いた以外は、実施例17と同様にしてCNT分散液Bを得た。
このCNT分散液Bを用いた以外は、実施例17と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 21]
In the preparation of CNT dispersion B, Example 17 except that 5 mg of scaly graphene (XG, manufactured by Sciences) was used instead of 5 mg of single-walled CNT, and 20 mg of 1-naphthoic acid was used instead of 15 mg of benzoic acid. In the same manner as above, CNT dispersion B was obtained.
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 17 except that this CNT dispersion B was used.

[実施例22]
CNT分散液Bの調製において、単層CNT5mgに代えて、多層CNT(SWeNT社製)5mgを、安息香酸15mgに変えて1−ナフトエ酸20mgを、それぞれ用いた以外は、実施例17と同様にしてCNT分散液Bを得た。
このCNT分散液Bを用いた以外は、実施例17と同様にして、熱電変換素子を作製した。
[Example 22]
In the preparation of CNT dispersion B, the same procedure as in Example 17 was carried out except that 5 mg of multilayer CNT (manufactured by SWeNT) was used instead of 5 mg of single-walled CNT, and 20 mg of 1-naphthoic acid was used instead of 15 mg of benzoic acid. Thus, CNT dispersion B was obtained.
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 17 except that this CNT dispersion B was used.

[比較例4]
CNT分散液Bの調製において、1−ナフトエ酸20mgを用いなかった以外は、実施例21と同様にしてCNT分散液Bを得た。
このCNT分散液Bを用いた以外は、実施例21と同様にして、熱電変換素子を作製した。すなわち、この熱電変換層は、有機酸を含まない。
[Comparative Example 4]
In the preparation of the CNT dispersion B, a CNT dispersion B was obtained in the same manner as in Example 21 except that 20 mg of 1-naphthoic acid was not used.
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 21 except that this CNT dispersion B was used. That is, this thermoelectric conversion layer does not contain an organic acid.

[比較例5]
CNT分散液Bの調製において、1−ナフトエ酸20mgを用いなかった以外は、実施例22と同様にしてCNT分散液Bを得た。
このCNT分散液Bを用いた以外は、実施例22と同様にして、熱電変換素子を作製した。すなわち、この熱電変換層は、有機酸を含まない。
[Comparative Example 5]
In the preparation of CNT dispersion B, CNT dispersion B was obtained in the same manner as in Example 22 except that 20 mg of 1-naphthoic acid was not used.
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 22 except that this CNT dispersion B was used. That is, this thermoelectric conversion layer does not contain an organic acid.

作製した熱電変換素子について、実施例21は、規格化時の比較例として比較例4の値を用い、実施例22は、規格化時の比較例として比較例5の値を用い、比較例4は、規格化時の比較例として比較例4の値を用い、比較例5は、規格化時の比較例として比較例5の値を用いたこと以外は、実施例1等と同様に、熱電変換性能および素子の電気的安定性を評価した。
結果を下記の表5に示す。
About the produced thermoelectric conversion element, Example 21 uses the value of Comparative Example 4 as a comparative example at the time of normalization, Example 22 uses the value of Comparative Example 5 as a comparative example at the time of normalization, and Comparative Example 4 Is the same as in Example 1 except that the value of Comparative Example 4 is used as a comparative example at the time of standardization, and the value of Comparative Example 5 is used as the comparative example at the time of standardization. The conversion performance and the electrical stability of the device were evaluated.
The results are shown in Table 5 below.


表5から明らかなように、熱電変換層が有機酸を有することにより、単層CNTに代えて、ナノ炭素材料としてグラフェンや多層CNTを用いた場合にも、熱電変換性能と電気的安定性に優れる熱電変換素子が得られることが確認できた。

As can be seen from Table 5, the thermoelectric conversion layer has an organic acid, so that in the case where graphene or multilayer CNT is used as the nanocarbon material instead of the single-walled CNT, the thermoelectric conversion performance and electrical stability are improved. It was confirmed that an excellent thermoelectric conversion element was obtained.

[実施例23]
水20mLに、CNT(名城ナノカーボン社製)500mg、および、デオキシコール酸ナトリウム1500mgを、投入した。
この溶液を、羽根付きホモジナイザーを用いて7分間分散した。得られた分散液を、さらに、高速旋回薄膜分散法(フィルミックス、プライミクス社製)を用いて周速30m/s、5分間攪拌処理を行い、CNT分散液Dを得た。
[Example 23]
To 20 mL of water, 500 mg of CNT (manufactured by Meijo Nanocarbon Co., Ltd.) and 1500 mg of sodium deoxycholate were added.
This solution was dispersed for 7 minutes using a bladed homogenizer. The obtained dispersion was further subjected to a stirring treatment at a peripheral speed of 30 m / s for 5 minutes using a high-speed rotating thin film dispersion method (Filmix, manufactured by Primics) to obtain CNT dispersion D.

厚さ25μm、15×12cmのポリイミドフィルムの一面に、幅0.5mm、厚さ70μmの銅ストライプを0.5mm間隔で形成してなる第1基板12Aおよび第2基板20Aを用意した(図3(A)〜図3(D)参照)。
この第1基板12Aの全面が低熱伝導部12aである面の6×6cmの領域に、スクリーン印刷によって0.5×1mmのCNT分散液Dのパターンを1785個、形成した。なお、CNT分散液Dのパターンは、高熱伝導部と低熱伝導部との境界(銅ストライプの境界)と、0.5×1mmのパターンの中心とが一致するように形成した。
CNT分散液Dのパターンを形成した第1基板12Aを、ホットプレート上で50℃で30分加熱し、さらに、130℃で2.5時間加熱することにより、CNT分散液Dを乾燥した。
次いで、第1基板12Aを、エタノールに14時間、浸漬した。エタノールに浸漬した第1基板12Aを、ホットプレート上で50℃で30分加熱し、さらに、130℃で150分加熱することにより、CNT分散液Dを乾燥した。
A first substrate 12A and a second substrate 20A in which copper stripes having a width of 0.5 mm and a thickness of 70 μm were formed on one surface of a polyimide film having a thickness of 25 μm and 15 × 12 cm were prepared (FIG. 3). (See (A) to FIG. 3 (D)).
1785 patterns of CNT dispersion D of 0.5 × 1 mm were formed by screen printing on a 6 × 6 cm region of the surface of the first substrate 12A, which is the low thermal conductive portion 12a. Note that the pattern of the CNT dispersion D was formed so that the boundary between the high heat conduction part and the low heat conduction part (the boundary of the copper stripe) coincides with the center of the pattern of 0.5 × 1 mm.
The first substrate 12A on which the pattern of the CNT dispersion D was formed was heated on a hot plate at 50 ° C. for 30 minutes, and further heated at 130 ° C. for 2.5 hours to dry the CNT dispersion D.
Next, the first substrate 12A was immersed in ethanol for 14 hours. The first substrate 12A immersed in ethanol was heated at 50 ° C. for 30 minutes on a hot plate, and further heated at 130 ° C. for 150 minutes to dry the CNT dispersion D.

エタノールに浸漬、乾燥した第1基板12Aを、濃度5mM/Lの1−ナフトエ酸のエタノール溶液に16時間浸漬した。
1−ナフトエ酸のエタノール溶液に浸漬した第1基板12Aを、ホットプレート上で50℃で30分加熱し、さらに、130℃で2.5時間加熱することにより、CNT分散液Dを乾燥して、8個の熱電変換層16を形成した。熱電変換層16の平均厚さは、5μmであった。
The first substrate 12A immersed and dried in ethanol was immersed in an ethanol solution of 1-naphthoic acid having a concentration of 5 mM / L for 16 hours.
The first substrate 12A immersed in an ethanol solution of 1-naphthoic acid was heated on a hot plate at 50 ° C. for 30 minutes, and further heated at 130 ° C. for 2.5 hours to dry the CNT dispersion D. Eight thermoelectric conversion layers 16 were formed. The average thickness of the thermoelectric conversion layer 16 was 5 μm.

次いで、1785個の熱電変換層16を厚さ200nmの金の第1電極26で直列に接続した(図3(B)参照)。第1電極26の形成は、マスクを用いる真空蒸着によって行った。   Next, 1785 thermoelectric conversion layers 16 were connected in series with a gold first electrode 26 having a thickness of 200 nm (see FIG. 3B). The first electrode 26 was formed by vacuum vapor deposition using a mask.

一方、第2基板20Aの全面が低熱伝導部20aである面に、粘着層18として厚さ25μmの両面テープ(接着剤転写テープ8146−1、3M社製)を貼着した。
この両面テープを、熱電変換層16および第1電極26を覆うように貼着して、図3(A)〜図3(D)に示すような熱電変換モジュールを作製した。なお、第2基板20Aは、熱電変換層16の中心と銅ストライプの境界とが一致し、かつ、銅ストライプの延在方向が第1基板12Aと一致し、さらに、面方向において、第1基板12Aと銅ストライプが重ならないように貼着した。
On the other hand, a double-sided tape (adhesive transfer tape 8146-1, 3M) having a thickness of 25 μm was stuck as the adhesive layer 18 on the surface of the second substrate 20A, which is the low thermal conductive portion 20a.
This double-sided tape was affixed so as to cover the thermoelectric conversion layer 16 and the first electrode 26 to produce a thermoelectric conversion module as shown in FIGS. 3 (A) to 3 (D). In the second substrate 20A, the center of the thermoelectric conversion layer 16 and the boundary of the copper stripe coincide with each other, the extending direction of the copper stripe coincides with the first substrate 12A, and the first substrate in the plane direction It stuck so that 12A and a copper stripe might not overlap.

作製した熱電変換モジュールについて、第1基板12側を下にしてホットプレートに載置し、かつ、第2基板20の上に温度制御用のペルチェ素子を設置した。
ホットプレートの温度を100℃で一定に保って、ペルチェ素子の温度を低下することにより、熱電変換モジュールの第1基板12と第2基板20との間に、10℃の温度差をつけた。
その結果、30μWの出力が得られることが確認できた。
The produced thermoelectric conversion module was placed on the hot plate with the first substrate 12 side down, and a Peltier element for temperature control was installed on the second substrate 20.
A temperature difference of 10 ° C. was made between the first substrate 12 and the second substrate 20 of the thermoelectric conversion module by keeping the temperature of the hot plate constant at 100 ° C. and decreasing the temperature of the Peltier element.
As a result, it was confirmed that an output of 30 μW was obtained.

[実施例24]
(分散液の調製)
デオキシコール酸ナトリウム1200mg(東京化成工業社製)を水16mLに溶解させ、単層CNT400mg(名城ナノカーボン社製EC、CNTの平均長さ1μm以上)を加えた。この組成物を、メカニカルホモジナイザー(エスエムテー社製、HIGH-FLEX HOMOGENiZER HF93)を用いて、7分間混合して、予備混合物を得た。得られた予備混合物を、薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス40−40型」(プライミクス社製)を用いて、10℃の恒温層中、周速10m/secで2分間、次いで周速40m/secで5分間、高速旋回薄膜分散法で分散処理した。得られた分散組成物にカルボキシメチルセルロース ナトリウム塩100mg(アルドリッチ社製、高粘度品)を加え、自転・公転ミキサー(シンキー社製、あわとり練太郎)にて、2000rpmで2分間混合、2200rpmで2分間脱泡して、CNT分散液Eを調製した。
[Example 24]
(Preparation of dispersion)
Sodium deoxycholate 1200 mg (manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) was dissolved in 16 mL of water, and 400 mg of single-walled CNT (EC, Meijo Nanocarbon Co., Ltd., average CNT length of 1 μm or more) was added. This composition was mixed for 7 minutes using a mechanical homogenizer (manufactured by SMT Co., Ltd., HIGH-FLEX HOMOGENiZER HF93) to obtain a preliminary mixture. Using the thin film swirl type high speed mixer “Filmix 40-40” (manufactured by Primics), the obtained preliminary mixture was placed in a thermostatic layer at 10 ° C. for 2 minutes at a peripheral speed of 10 m / sec, and then a peripheral speed of 40 m / The dispersion treatment was performed by the high-speed swirling thin film dispersion method for 5 minutes in sec. 100 mg of carboxymethylcellulose sodium salt (manufactured by Aldrich, high viscosity product) was added to the obtained dispersion composition, and mixed for 2 minutes at 2000 rpm with a rotating / revolving mixer (Shinky, manufactured by Aritori Kentaro), 2 at 2200 rpm. CNT dispersion liquid E was prepared by degassing for a minute.

(熱電変換素子の作製)
第一基板12の電極形成面の中央に、CNT分散液Eを用いメタルマスク印刷にて、10mm×10mmのパターンを形成し、50℃で30分、120℃で30分乾燥させた。エタノールに1時間浸漬後、50℃で30分、120℃で2.5時間乾燥させた。なお、印刷パターンは、前述の電極によって挟まれる第1基板12の中央の6×6mmの領域が中心となるように載置した。従って、熱電変換層16は、第1基板12の長手方向の両端部2mmが、共に、電極26および28の上に載置された状態となる。
一方、第2基板20の全面がポリイミドフィルムである面に、粘着層18として厚さ25μmの両面テープ(接着剤転写テープ8146−1、3M社製)を貼着した。
第1基板12と第2基板20とを基線を一致させて、かつ、第1基板12と第2基板20とで、高熱伝導部と低熱伝導部とが互い違いになるように、粘着層18を第1基板12側に向けて積層し、貼着した。これにより、図5に示すような、in plane型の熱電変換素子を作製した。
(Production of thermoelectric conversion element)
A 10 mm × 10 mm pattern was formed by metal mask printing using the CNT dispersion E in the center of the electrode formation surface of the first substrate 12 and dried at 50 ° C. for 30 minutes and 120 ° C. for 30 minutes. After being immersed in ethanol for 1 hour, it was dried at 50 ° C. for 30 minutes and at 120 ° C. for 2.5 hours. The printed pattern was placed so that the 6 × 6 mm area at the center of the first substrate 12 sandwiched between the electrodes was centered. Therefore, the thermoelectric conversion layer 16 is in a state where both end portions 2 mm in the longitudinal direction of the first substrate 12 are placed on the electrodes 26 and 28.
On the other hand, a double-sided tape (adhesive transfer tape 8146-1, 3M) having a thickness of 25 μm was adhered as the adhesive layer 18 to the surface of the second substrate 20 that was a polyimide film.
The adhesive layer 18 is formed so that the first substrate 12 and the second substrate 20 have the same base line, and the first substrate 12 and the second substrate 20 have a high thermal conductivity portion and a low thermal conductivity portion. It laminated | stacked and stuck toward the 1st board | substrate 12 side. As a result, an in-plane type thermoelectric conversion element as shown in FIG. 5 was produced.

(熱電変換モジュールの作製)
厚さ25μm、15×12cmのポリイミドフィルムの一面に、幅0.5mm、厚さ70μmの銅ストライプを0.5mm間隔で形成してなる第1基板12Aおよび第2基板20Aを用意した(図3(A)〜図3(D)参照)。
この第1基板12Aの全面が低熱伝導部12aである面の6×6cmの領域に、スクリーン印刷によって0.5×1mmのCNT分散液Eのパターンを1785個、形成した。なお、CNT分散液Eのパターンは、高熱伝導部と低熱伝導部との境界(銅ストライプの境界)と、0.5×1mmのパターンの中心とが一致するように形成した。
CNT分散液Eのパターンを形成した第1基板12Aを、ホットプレート上で50℃で30分、120℃で30分加熱した。エタノールに1時間浸漬後、さらに、50℃で30分、130℃で2.5時間加熱することにより、CNT分散液Eにより形成された印刷パターンを得た。
次いで、1785個の熱電変換層16を厚さ1μmのニッケルの第1電極26で直列に接続した(図3(B)参照)。第1電極26の形成は、マスクを用いる真空蒸着によって行った。
一方、第2基板20Aの全面が低熱伝導部20aである面に、粘着層18として厚さ25μmの両面テープ(接着剤転写テープ8146−1、3M社製)を貼着した。
この両面テープを、熱電変換層16および第1電極26を覆うように貼着して、図3(A)〜図3(D)に示すような熱電変換モジュールを作製した。なお、第2基板20Aは、熱電変換層16の中心と銅ストライプの境界とが一致し、かつ、銅ストライプの延在方向が第1基板12Aと一致し、さらに、面方向において、第1基板12Aと銅ストライプが重ならないように貼着した。
(Production of thermoelectric conversion module)
A first substrate 12A and a second substrate 20A in which copper stripes having a width of 0.5 mm and a thickness of 70 μm were formed on one surface of a polyimide film having a thickness of 25 μm and 15 × 12 cm were prepared (FIG. 3). (See (A) to FIG. 3 (D)).
1785 patterns of 0.5 × 1 mm CNT dispersion liquid E were formed by screen printing on a 6 × 6 cm region of the surface of the first substrate 12A, which is the low thermal conductive portion 12a. Note that the pattern of the CNT dispersion E was formed so that the boundary between the high heat conduction part and the low heat conduction part (the boundary of the copper stripe) coincided with the center of the pattern of 0.5 × 1 mm.
The first substrate 12A on which the pattern of the CNT dispersion E was formed was heated on a hot plate at 50 ° C. for 30 minutes and at 120 ° C. for 30 minutes. After being immersed in ethanol for 1 hour, the printed pattern formed with the CNT dispersion E was obtained by heating at 50 ° C. for 30 minutes and at 130 ° C. for 2.5 hours.
Next, 1785 thermoelectric conversion layers 16 were connected in series with a first electrode 26 of nickel having a thickness of 1 μm (see FIG. 3B). The first electrode 26 was formed by vacuum vapor deposition using a mask.
On the other hand, a double-sided tape (adhesive transfer tape 8146-1, 3M) having a thickness of 25 μm was stuck as the adhesive layer 18 on the surface of the second substrate 20A, which is the low thermal conductive portion 20a.
This double-sided tape was affixed so as to cover the thermoelectric conversion layer 16 and the first electrode 26 to produce a thermoelectric conversion module as shown in FIGS. 3 (A) to 3 (D). In the second substrate 20A, the center of the thermoelectric conversion layer 16 and the boundary of the copper stripe coincide with each other, the extending direction of the copper stripe coincides with the first substrate 12A, and the first substrate in the plane direction It stuck so that 12A and a copper stripe might not overlap.

[実施例25]
カルボキシメチルセルロース ナトリウム塩100mgをアルギン酸100mg(非膨潤性、和光純薬社製)に変えたこと以外は実施例24と同様の手順を従い、熱電変換素子および熱電変換モジュールを得た。
[Example 25]
A thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion module were obtained by following the same procedure as in Example 24 except that 100 mg of sodium carboxymethylcellulose was changed to 100 mg of alginic acid (non-swellable, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).

[実施例26]
カルボキシメチルセルロース ナトリウム塩100mgをキサンタンガム(東京化成社製)に変えたこと以外は実施例24と同様の手順に従い、熱電変換素子および熱電変換モジュールを得た。
[Example 26]
A thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion module were obtained in the same manner as in Example 24 except that 100 mg of carboxymethyl cellulose sodium salt was changed to xanthan gum (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.).

[実施例27]
カルボキシメチルセルロース ナトリウム塩100mgをジヒドロアビエチン酸(和光純薬社製)に変えたこと以外は実施例24と同様の手順に従い、熱電変換素子および熱電変換モジュールを得た。
[Example 27]
A thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion module were obtained according to the same procedure as in Example 24 except that 100 mg of sodium carboxymethylcellulose was changed to dihydroabietic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).

[実施例28]
カルボキシメチルセルロース ナトリウム塩100mg(アルドリッチ社製、高粘度品)、デオキシコール酸ナトリウム1200mg(東京化成工業社製)を水16mLに溶解させ、単層CNT400mg(名城ナノカーボン社製EC、CNTの平均長さ1μm以上)を加えた。この組成物を、メカニカルホモジナイザー(エスエムテー社製、HIGH-FLEX HOMOGENiZER HF93)を用いて、7分間混合して、予備混合物を得た。得られた予備混合物を、薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス40−40型」(プライミクス社製)を用いて、10℃の恒温層中、周速10m/secで2分間、次いで周速39m/secで30秒、40m/secで270秒、高速旋回薄膜分散法で分散処理した。得られた分散組成物を自転・公転ミキサー(シンキー社製、あわとり練太郎)にて、2000rpmで2分間混合、2200rpmで2分間脱泡して、CNT分散液Fを得た。以降は実施例24と同様にして、熱電変換素子および熱電変換モジュールを得た。
[Example 28]
Carboxymethylcellulose sodium salt 100 mg (manufactured by Aldrich, high-viscosity product) and sodium deoxycholate 1200 mg (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) are dissolved in 16 mL of water, and 400 mg of single-walled CNTs (average length of EC and CNT manufactured by Meijo Nanocarbon Co., Ltd.) 1 μm or more) was added. This composition was mixed for 7 minutes using a mechanical homogenizer (manufactured by SMT Co., Ltd., HIGH-FLEX HOMOGENiZER HF93) to obtain a preliminary mixture. Using the thin film swirl type high speed mixer “Filmix 40-40” (manufactured by Primics), the obtained preliminary mixture was placed in a thermostatic layer at 10 ° C. for 2 minutes at a peripheral speed of 10 m / sec, and then a peripheral speed of 39 m / Dispersion treatment was performed by a high-speed rotating thin film dispersion method for 30 seconds at sec and 270 seconds at 40 m / sec. The obtained dispersion composition was mixed at 2000 rpm for 2 minutes with a rotating / revolving mixer (Shinky Corp., Aritori Nertaro), and degassed at 2200 rpm for 2 minutes to obtain CNT dispersion F. Thereafter, in the same manner as in Example 24, a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion module were obtained.

[比較例6]
実施例24において、カルボキシメチルセルロース ナトリウム塩を加えなかったこと以外は、実施例24と同様の手順に従い、熱電変換素子および熱電変換モジュールを得た。
[Comparative Example 6]
In Example 24, a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion module were obtained according to the same procedure as Example 24 except that carboxymethylcellulose sodium salt was not added.

[熱電変換素子の評価]
実施例24〜28、比較例6で作製した熱電変換素子について、規格化時の比較例として比較例6の値を用いたこと以外は、実施例1等と同様にして熱電変換性能および電気的安定性を評価した。結果を表6に示す。
[Evaluation of thermoelectric conversion element]
About the thermoelectric conversion element produced in Examples 24-28 and the comparative example 6, except using the value of the comparative example 6 as a comparative example at the time of normalization, it is the same as Example 1 etc., and thermoelectric conversion performance and electrical Stability was evaluated. The results are shown in Table 6.

[熱電変換モジュールの評価]
実施例24〜28、比較例6で作製した熱電変換モジュールについて、実施例23等と同様に、出力を測定した。結果を表7に示す。
[Evaluation of thermoelectric conversion module]
About the thermoelectric conversion module produced in Examples 24-28 and the comparative example 6, the output was measured similarly to Example 23 grade | etc.,. The results are shown in Table 7.

なお、以上の実施例において、分光光度法または熱重量−示差熱分析法によって、熱電変換層の有機酸/ナノ炭素材料の質量比を測定した。その結果、全ての実施例で、熱電変換層の有機酸/ナノ炭素材料の質量比は、0.005〜1の範囲に入っていることが、確認された。   In the above examples, the mass ratio of the organic acid / nanocarbon material of the thermoelectric conversion layer was measured by spectrophotometry or thermogravimetric-differential thermal analysis. As a result, it was confirmed in all Examples that the mass ratio of the organic acid / nanocarbon material of the thermoelectric conversion layer was in the range of 0.005 to 1.

発電装置等に、好適に利用可能である。   It can be suitably used for a power generation device or the like.

10 熱電変換素子
12,12A 第1基板
12a,20a 低熱伝導部
12b,20b 高熱伝導部
16 熱電変換層
18 粘着層
20,20A 第2基板
26,30,34 第1電極
28,32,36 第2電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Thermoelectric conversion element 12, 12A 1st board | substrate 12a, 20a Low heat conduction part 12b, 20b High heat conduction part 16 Thermoelectric conversion layer 18 Adhesion layer 20, 20A 2nd board | substrate 26,30,34 1st electrode 28,32,36 2nd electrode

Claims (10)

面方向の少なくとも一部に他の領域よりも熱伝導率が高い第1高熱伝導部を有する基板と、
前記基板の上に形成される、ナノ炭素材料および有機酸を含有する熱電変換層と、
前記熱電変換層の上に形成される低熱伝導層と、
前記低熱伝導層に設けられる、前記低熱伝導層よりも熱伝導率が高く、かつ、面方向において前記第1高熱伝導部と完全に重複しない第2高熱伝導部と、
面方向に前記熱電変換層を挟むように前記熱電変換層に接続される一対の電極と、を有することを特徴とする熱電変換素子。
A substrate having a first high thermal conductivity portion having a thermal conductivity higher than that of other regions in at least a part of the surface direction;
A thermoelectric conversion layer containing a nanocarbon material and an organic acid formed on the substrate;
A low thermal conductive layer formed on the thermoelectric conversion layer;
A second high thermal conductivity portion provided in the low thermal conductivity layer, having a thermal conductivity higher than that of the low thermal conductivity layer and not completely overlapping with the first high thermal conductivity portion in the plane direction;
A thermoelectric conversion element comprising: a pair of electrodes connected to the thermoelectric conversion layer so as to sandwich the thermoelectric conversion layer in a plane direction.
前記ナノ炭素材料がカーボンナノチューブである、請求項1に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the nanocarbon material is a carbon nanotube. 前記ナノ炭素材料が単層カーボンナノチューブである、請求項2に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 2, wherein the nanocarbon material is a single-walled carbon nanotube. 前記有機酸がカルボン酸である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the organic acid is a carboxylic acid. 前記有機酸が芳香族カルボン酸である、請求項4に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 4, wherein the organic acid is an aromatic carboxylic acid. 前記有機酸の沸点が200℃以上である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element of any one of Claims 1-5 whose boiling point of the said organic acid is 200 degreeC or more. 前記有機酸の融点が100℃以上である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the organic acid has a melting point of 100 ° C. or higher. 前記有機酸が有機酸ポリマーである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the organic acid is an organic acid polymer. 前記有機酸ポリマーが多糖またはそれらの誘導体である、請求項8に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 8, wherein the organic acid polymer is a polysaccharide or a derivative thereof. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱電変換素子を、複数、直列に接続してなる熱電変換モジュール。   The thermoelectric conversion module formed by connecting the thermoelectric conversion element of any one of Claims 1-9 in multiple numbers in series.
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