WO2018056368A1

WO2018056368A1 - 熱電変換層形成用組成物及び熱電変換層の製造方法

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Publication number: WO2018056368A1
Application number: PCT/JP2017/034140
Authority: WO
Inventors: 宅磨長▲濱▼; 加藤　博和; 前田　真一
Original assignee: 日産化学工業株式会社
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2018-03-29
Also published as: JPWO2018056368A1; TW201829572A; CN109716546A

Abstract

【課題】水を分散媒とした熱電変換層形成用組成物を提供すること。また、熱電変換層形成用組成物を用いて塗布プロセスにより熱電変換層を製造すること。【解決手段】（Ａ）水、（Ｂ）コバルト系酸化物及び（Ｃ）多糖類を含む熱電変換層形成用組成物であり、該組成物１００質量部に対して、（Ａ）と（Ｂ）との合計は９０～９９．９８質量部であり、（Ｂ）は１～５０質量部であり、（Ｃ）は０．０２～１０質量部である熱電変換層形成用組成物による。

Description

熱電変換層形成用組成物及び熱電変換層の製造方法

　本発明は、熱電変換層を形成するための熱電変換層形成用組成物及び熱電変換層形成用組成物を用いた熱電変換層の製造方法に関する。

　ゼーベック効果による起電力は、熱電変換素子の高温部と低温部との温度差に比例することから、温度差を大きくとるために従来の熱電変換モジュールでは、バルク形の熱電変換素子を利用することが多かった。しかしながら、バルク形の熱電変換素子は、微細加工が容易でなく、モジュールの発電単価が高くなる問題があった。そのため、微細加工が容易な塗布プロセスを用いた熱電変換素子及び熱電変換モジュールの研究が近年報告されている。中でも環境保護の観点から水を主な分散媒とする熱電変換層形成用組成物の開発が強く望まれている。

　水を用いた塗布プロセスにより形成される熱電変換層として、特許文献１には、半導体微粒子及び導電性高分子を含む水系組成物を用いて支持体上に被膜を形成することが開示されている。また、特許文献２には、金属ナノ粒子と水溶性導電性高分子とを含む水系組成物から熱電変換シートを製造することが開示されている。特許文献３には、共役系導電性高分子を水に溶解させてフレキシブルな熱電変換層を作成したことが開示されている。一方、特許文献４では、α―テルピネオールを溶剤として使用して、コバルト系酸化物の熱電変換層を作製したことが開示されている。

ＷＯ２０１３／１４１０６５号公報特開２０１４－３００１０号公報特開２０１４－１９９８３８号公報特開２００８－２７０４１０号公報

　特許文献１から特許文献３は、熱電変換材料を水に分散又は溶解した熱電変換層形成用組成物を用いて、熱電変換層を塗布プロセスで作製した技術である。しかしながら、これら先行技術は耐熱性の低い熱電変換材料を用いており、中高温域（３００～６００℃）における耐熱性がない。

　特許文献４は、熱電変換層を作製するために有機溶媒を用いている。これまでに中高温域の熱電変換層で、水を溶媒・分散媒とする熱電変換層形成用組成物の例はない。

　本発明は、３００～６００℃の中高温域に適用できる水を分散媒とした熱電変換層形成用組成物を提供することを課題とする。また、本発明は熱電変換層形成用組成物を用いて塗布プロセスにより熱電変換層を製造することを課題とする。

　本発明者は上記の課題を解決するべく鋭意検討した結果、
（Ａ）水、
（Ｂ）コバルト系酸化物、及び
（Ｃ）多糖類
を含む熱電変換層形成用組成物が良好な分散性及び塗布性を有することを見出し、また、当該熱電変換層形成用組成物より作製した被膜中に含まれる多糖類を酸化雰囲気下で焼成することにより、熱電特性を阻害する成分の存在しない熱電特性に優れた熱電変換層を製造できることを見出し、本発明を完成させた。

　すなわち、本発明はその第１観点として、
（Ａ）水、（Ｂ）コバルト系酸化物及び（Ｃ）多糖類を含む熱電変換層形成用組成物であり、該組成物１００質量部に対して、（Ａ）と（Ｂ）との合計は９０～９９．９８質量部であり、（Ｂ）は１～５０質量部であり、（Ｃ）は０．０２～１０質量部である熱電変換層形成用組成物であり、
第２観点として、前記多糖類は、セルロース誘導体である第１観点に記載の熱電変換層形成用組成物であり、
第３観点として、前記セルロース誘導体は、ヒドロキシプロピルメチルセルロースである請求項２に記載の熱電変換層形成用組成物であり、
第４観点として、前記コバルト系酸化物は、下記の一般式（１）：
　　Ｃａ_ａ１Ａ^１ _ｂ１Ｃｏ_ｃ１Ａ^２ _ｄ１Ｏ_ｅ１　　　　（１）
（式中、Ａ^１はＮａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｙ及びランタノイドからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ａ^２はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、２．２≦ａ１≦３．６；０≦ｂ１≦０．８；２．０≦ｃ１≦４．５；０≦ｄ１≦２．０；８≦ｅ１≦１０である。）、
一般式（２）：
　　Ｎａ_ａ２Ａ^１ _ｂ２Ｃｏ_ｃ２Ａ^２ _ｄ２Ｏ_ｅ２　　　　　（２）
（式中、Ａ^１はＮａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｙ及びランタノイドからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ａ^２はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、０＜ａ２≦２；０≦ｂ２≦０．６；０＜ｃ２≦２；０≦ｄ２≦０．６；１．０≦ｅ２≦３．０である。）、又は
一般式（３）：
　　Ｂｉ_ａ３Ｍ^１ _ｆ３Ａ^１ _ｂ３Ｃｏ_ｃ３Ａ^２ _ｄ３Ｏ_ｅ３　　　　（３）
（式中、Ｍ^１はＳｒ又はＰｂであり、Ａ^１はＮａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｙ及びランタノイドからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ａ^２はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、１．８≦ａ３≦２．２；０≦ｆ３≦０．４；１．８≦ｂ３≦２．２；１．６≦ｃ３≦２．２；０≦ｄ３≦０．５；８≦ｅ３≦１０である）
で表される化合物である第１観点乃至第３観点のいずれか一つに記載の熱電変換層形成用組成物であり、
第５観点として、第１観点乃至第４観点のいずれか一つに記載の熱電変換層形成用組成物を基板に塗布して被膜を形成する工程、次いで該被膜から多糖類を除去するために該被膜を３００℃以上の酸化雰囲気にて焼成する工程を含む熱電変換層の製造方法であり、
第６観点として、第１観点乃至４観点のいずれか一つに記載の熱電変換層形成用組成物を基板に塗布して被膜を形成する工程、次いで該被膜から多糖類を除去するために該被膜を酸化雰囲気にて光照射による光焼成する工程を含む熱電変換層の製造方法であり、
第７観点として、第１観点乃至４観点のいずれか一つに記載の熱電変換層形成用組成物を基板に塗布して被膜を形成する工程、該被膜から多糖類を除去するために該被膜を３００℃以上の酸化雰囲気にて焼成する工程、更に該被膜を酸化雰囲気にて光照射による光焼成する工程を含む熱電変換層の製造方法。

　本発明では、水を主溶媒とするため、環境及び作業環境汚染の少ない熱電変換層形成用組成物を提供できる。また、該組成物を用いることにより、中高温域における耐熱性があり、熱電特性に優れかつ加工性・形状自由度を有する熱電変換層を提供することができる。

図１は、熱電変換層Ａ１の表面形状と断面形状の走査型電子顕微鏡による観察画像である。図２（ａ）はアルミナ基板上の実施例層Ａ２のＸ線回折図であり［□はアルミナ基板による回折ピーク］、図２（ｂ）は原料に用いたＣａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９粉末のＸ線回折図である［Ｃａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９は、図２中ではＣｏ３４９と表記した。］。

　以下、本発明について詳細に説明する。本発明の熱電変換層形成用組成物は、基板に塗布し、焼成することでコバルト系酸化物からなる熱電変換層を形成することができる組成物である。つまり、該組成物には熱電変換層を形成するためのコバルト系酸化物が微粒子の状態で分散しており、該組成物に含まれる水と多糖類は、コバルト系酸化物の分散状態を改善するための成分である。

　熱電変換層の基本的な特性は、前記の熱電変換層形成用組成物に分散しているコバルト系酸化物の種類により決定される。つまり、本発明の熱電変換層形成用組成物に分散したコバルト系酸化物は、水に分散することが可能であれば、既知のコバルト系酸化物からなる熱電変換材料をそのまま用いることができる。別の観点からは、１００℃におけるゼーベック係数が５０μＶ／Ｋ以上であるコバルト系酸化物が熱電変換材料であるとも言え、本発明ではこれら既知のコバルト系酸化物を出発原料として使用することができる。

　なお、多糖類は、本発明の熱電変換層形成用組成物を熱電変換層に形成する際に、コバルト系酸化物の粒子同士を接着するために添加される。多糖類が添加されることで、熱電変換層の成膜過程において、前記熱電変換層形成用組成物の乾燥が進行した後も、粒子が基板から剥がれ落ちることなく、熱電変換層として基板上に存在することができる。一方、多糖類が含まれない場合、組成物の乾燥が進行すると、コバルト系酸化物粒子が基板から容易に剥がれ落ちてしまい熱電変換層として存在することができない。

　多糖類は、多く含まれると熱電変換層の電気抵抗が悪化する恐れがあるが、３００℃以上の高温で焼成して分解することにより、良好な電気伝導性を得ることができる。焼成後の熱電変換層には多糖類は存在しないが、コバルト系酸化物同士が弱く融着することで層として存在することができる。なお、多糖類はコバルト系酸化物微粒子の水への分散性を改善する効果も有する。

　また、本発明の熱電変換層形成用組成物により得られるコバルト系酸化物の熱電変換層は、その結晶性は限定されない。熱電変換層として良い特性を得るためには結晶である方が好ましいが、例えば、出発原料がアモルファスであったとしても、熱電変換層形成用組成物を基板に塗布した後、結晶化のために焼成することで良い特性の熱電変換層を得ることができる。

　また、コバルト系酸化物の出発原料として、例えばコバルト系酸化物にその製造過程で残存するカーボン成分が含まれている場合でも、焼成によってカーボン成分を分解することができれば、熱電特性の良い熱電変換層を得ることができる。

　また、同じようにコバルト系酸化物の酸素原子は、塗布後の焼成工程で導入することも可能であるため、酸素原子の含有量が化学量論比より少ないコバルト系酸化物を用いることもできる。

　つまり、本発明の熱電変換層形成用組成物を基板に塗布した後、適切な焼成処理によって熱電変換層として十分な特性が得ることが可能であれば、出発原料としてのコバルト系酸化物は十分な熱電変換特性を有さなくても良い。

　このようなコバルト系酸化物は下記の一般式（１）、（２）または（３）で示される。
　一般式（１）：
　　Ｃａ_ａ１Ａ^１ _ｂ１Ｃｏ_ｃ１Ａ^２ _ｄ１Ｏ_ｅ１　　　　　　（１）
（式中Ａ^１は、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｙ及びランタノイドからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ａ^２は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、２．２≦ａ１≦３．６；０≦ｂ１≦０．８；２．０≦ｃ１≦４．５；０≦ｄ１≦２．０；８≦ｅ１≦１０である。）
　一般式（１）で表される特に好ましいコバルト系酸化物を表１に示す。

　　上記一般式（１）において、ランタノイドとしては、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等を例示できる。

　一般式（２）：
　　Ｎａ_ａ２Ａ^１ _ｂ２Ｃｏ_ｃ２Ａ^２ _ｄ２Ｏ_ｅ２　　　　　　（２）
（式中Ａ^１は、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｙ及びランタノイドからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ａ^２は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、０＜ａ２≦２；０≦ｂ２≦０．６；０＜ｃ２≦２；０≦ｄ２≦０．６；１．０≦ｅ２≦３．０である。）

　一般式（３）：
　　Ｂｉ_ａ３Ｍ^１ _ｆ３Ａ^１ _ｂ３Ｃｏ_ｃ３Ａ^２ _ｄ３Ｏ_ｅ３　　　　　　（３）
（式中Ｍ^１は、Ｓｒ又はＰｂであり、Ａ^１は、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｙ及びランタノイドからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ａ^２は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、１．８≦ａ３≦２．２；０≦ｆ３≦０．４；１．８≦ｂ３≦２．２；１．６≦ｃ３≦２．２；０≦ｄ３≦０．５；８≦ｅ３≦１０である）

　本発明においてコバルト系酸化物を水に分散させるためには、コバルト系酸化物は粒子状である必要がある。コバルト系酸化物の平均粒子径が１ｎｍ以上１００μｍ以下であれば、均一な分散液が容易に調製できる。１ｎｍ以下では粒子同士が凝集して分散しにくくなり、１００μｍ以上では分散性が悪くなるのみならず、均一な熱電変換層が形成できない問題がある。なお、分散液の塗布性、熱電変換層の熱電特性等の観点から、該平均粒子径は好ましくは５μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以下である。ここで平均粒子径とは、マイクロトラック・ベル製ナノトラックＵＰＡ－ＥＸを用いて動的光散乱法により測定した粒子径のことである。

　本発明の熱電変換層形成用組成物を調製する際の出発原料として、コバルト系酸化物の平均粒子径は、１ｎｍ以上であれば特に限定されない。出発原料の粒子径が１００μｍ以上であっても、水と混合した後、湿式粉砕によって粒子を粉砕することで水に分散可能な粒子径のコバルト系酸化物を得ることができる。

　多糖類とは、グリコシド結合によって単糖分子が２分子以上重合した物質の総称である。本発明に用いられる多糖類としては、セルロース、デンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、キチン、アガロース、カラギーナン、ヘパリン、ヒアルロン酸、ペクチン、キシログルカンなどが好ましい。

　多糖類は、コバルト系酸化物の分散性及び塗布性を改善する目的で本発明の熱電変換層形成用組成物に添加される。該組成物中では、多糖類は水に溶解若しくは分散した状態で存在する。

　多糖類の中でセルロースは、部分的に変性させた誘導体が多く知られており、例えば、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルエチルセルロース、ニトロセルロース、酢酸セルロースなどが知られている。熱電変換層を形成する際に、成膜性が良く、かつ、体積抵抗率の小さい熱電変換層を形成できることから、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースが好ましく、ヒドロキシプロピルメチルセルロースがより好ましい。

　本発明の熱電変換層形成用組成物１００質量部に対して、多糖類の添加量は０．０２～１０質量部である。多糖類を多く添加するほどコバルト系酸化物の粒子同士の接着性が良好になり、成膜性は良好になる。一方、電気伝導性の良い熱電変換層を得るためには、熱電変換層に残存した多糖類を分解させる必要があり、この観点では多糖類は少ないほうが良い。上記の理由から、多糖類の添加量は０．０４～５質量部が好ましく、より好ましくは０．１～２．５質量部である。

　本発明の熱電変換層形成用組成物に含有される水は、コバルト系酸化物を分散するための分散媒としての機能を持つ。熱電変換層形成用組成物に水が含まれることによりコバルト系酸化物が均一に分散し、均一な熱電変換層を形成することが可能となる。

　また、本発明では環境及び作業環境の保護という観点で水を主な分散媒として用いている。そのため、本発明の熱電変換層形成用組成物１００質量部に対して、（Ａ）水と（Ｂ）コバルト系酸化物の合計は９０質量部以上である必要があり、好ましくは９５質量部以上である。

　本発明の熱電変換層形成用組成物は、環境及び作業環境を汚染しない範囲で親水性溶媒を添加することができる。親水性溶媒は予め水に加えて分散媒としてもよい。親水性溶媒は主に発泡を抑える目的及び成膜性を改善する目的で添加される。具体的には、メタノール、エタノール、１－プロパノール、２－プロパノール、１－ブタノール、２－ブタノール、アセトニトリルが好適に用いられる。

　該熱電変換層形成用組成物１００質量部に対して、水以外の分散媒は、環境及び作業環境の保護という観点で、９．９８質量部以下であることが好ましく、より好ましくは５質量部以下である。

　本発明の熱電変換層形成用組成物は、（Ｂ）コバルト系酸化物と（Ｃ）多糖類とが固形分として存在する。組成物の固形分濃度が高すぎると該組成物は流動性を持たず、塗布法により容易に熱電変換層を得ることができない。一方、固形分濃度が低すぎると該組成物は均一な膜が得られない。そのため、該組成物１００質量部に対して、（Ｂ）コバルト系酸化物と（Ｃ）多糖類との合計は１．０２～６０質量部である必要があり、好ましくは１０～３０質量部であり、より好ましくは１５～２５質量部である。

　本発明の熱電変換層形成用組成物の調製方法は特に限定されない。反応容器にそれぞれ原料を適量添加し混合し、必要に応じて湿式粉砕を行って、本発明の熱電変換層形成用組成物が得られる。調製例としては例えば、容器に水とセルロース誘導体を加え、セルロース誘導体が完全に溶解するまで撹拌する。次に、同じ容器にコバルト系酸化物を添加する。必要に応じて、発泡を抑制するために１－プロパノールを加える。さらに均一に混合・分散させるためにジルコニアビーズを用いたボールミル処理を行うことで熱電変換層形成用組成物を得ることができる。ボールミル処理の条件は、例えば、ミックスローター上（ローターの回転数１００ｒｐｍ）で５日間、あるいはサンドグラインダー（回転数５００ｒｐｍ）で４時間である。ジルコニアビーズは目開き１ｍｍ以下のメッシュを用いて濾過することにより容易に該組成物から取り除くことができる。

　本発明の熱電変換層形成用組成物は、基板に該組成物を滴下し、該組成物の被膜を形成した後、分散媒を乾燥させることでコバルト系酸化物からなる熱電変換層が形成可能である。しかしながら、このままではコバルト系酸化物の粒子間に多糖類が存在するため、電気伝導性が著しく悪い熱電変換層となる。電気伝導性の良い熱電変換層を得るためには多糖類が分解する温度でさらに焼成する必要がある。この焼成は、酸化雰囲気で３００℃以上が好適である。しかしながら、焼成温度が高すぎると熱電特性を有するコバルト系酸化物が相変化するため、焼成温度の上限はコバルト系酸化物の相転移温度によって制限される。例えば、コバルト系酸化物としてＣａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９を使用する場合は、８６０℃に相転移温度を有するので、焼成温度は８５０℃以下が好ましい。また、焼成温度の上限は、用いる基板によっても制限される。例えば、樹脂製のフレキシブル基板を用いる場合、焼成温度は４５０℃以下であることが好ましい。一方、十分に耐熱性の高い基板、例えば、アルミナなどのセラミックス基板、石英基板などを用いるのであれば、６００℃以上の温度で焼成することができる。

　焼成工程としては、オーブン等による加熱焼成の他、紫外線、可視光、フラッシュ光等の光照射を使用した光焼成（光焼結）を行うことができる。また、加熱焼成と光焼成とを併用することもできる。
　光焼成は、熱電変換層形成用組成物から得られる被膜を、多糖類が分解する温度で焼成できればよい。
　光照射の光源としては、例えば、水銀灯、メタルハライドランプ、キセノンランプ、ケミカルランプ、カーボンアーク灯等が挙げられる。光照射としては、例えば赤外線レーザーによる走査露光、キセノン放電灯等の高照度フラッシュ露光、赤外線ランプ露光等が好適に挙げられる。例えばキセノンパルス光照射が挙げられる。
　光焼成により、被膜表面に光を照射し短時間で加熱することができるため、基材への熱の影響を少なくすることができるといいう利点がある。また、光焼成は、短時間で焼成できるため、生産性が高いという利点もある。

　基板としては、電気絶縁性基板であれば特に限定はなく、石英基板、ガラス基板、アルミナなどのセラミックス基板、ポリイミドなどの樹脂製の基板、絶縁層を有した金属基板などが用いられる。

　塗布装置並びに塗膜の乾燥及び焼成装置は、一般的に知られるものを用いることができる。具体的にはスピンコーター、スリットコーター、ドクターブレード、ロールコーター、インクジェット、ディップコート、スクリーン印刷などが挙げられる。乾燥及び焼成に用いる装置はホットプレート、オーブン、ランプ加熱装置などが挙げられる。また焼成に用いる装置としては加熱装置の他、紫外線、可視光、フラッシュ光による光照射装置などが挙げられる。

　以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に記載するが、本発明は以下の記述によって限定されるものではない。なお、実施例において、試料の調整及び物性の分析に用いた装置及び条件は以下のとおりである。
［装置］
（１）電気炉（マッフル炉）
装置：山田電機（株）製　卓上マッフル炉　Ｙ－２０２５－Ｎ
（２）スピンコーター
装置：ミカサ（株）製　スピンコーター　１Ｈ－Ｄ７
（３）抵抗率計（表面抵抗値測定）
装置：三菱化学（株）製　ロレスタ―ＧＰ
プローブ：三菱化学（株）製　ＰＳＰプローブ（探針間距離：１．５ｍｍ）
（４）走査電子顕微鏡
装置：日本電子（株）製　電界放出形走査電子顕微鏡　ＪＳＭ－７４００Ｆ
（５）膜厚測定
装置：（株）小坂研究所製　微細形状測定機　サーフコーダ　ＥＴ４０００
（６）広角Ｘ線回折
装置：（株）リガク社製Ｘ線回折装置　ＲＩＮＴ　Ｕｌｔｉｍｅ＋
測定条件：
Ｘ線源；Ｃｕ、電圧；４０ｋＶ、電流４０ｍＡ、ＳＴＥＰ幅；０．０４°、積算時間；０．５ｓｅｃ／ＳＴＥＰ、発散スリット；１°、発散縦制限スリット１０ｍｍ、散乱スリット１°、受光スリット０．３ｍｍ
（７）熱電特性評価
装置：オザワ科学（株）製　熱電特性測定装置　ＲＺ２００１ｉ
電極：薄膜電極
（８）粒度分析計
装置：マイクロトラック・ベル（株）製　ナノトラック（登録商標）　ＵＰＡ－ＥＸ
（９）光焼成
装置：Ｘｅｎｏｎ社製　キセノンパルス光焼結装置Ｓ－２２１０

［原料］
・コバルト系酸化物：Ｃａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９
（マイクロトラック・ベル（株）製ナノトラック　ＵＰＡ－ＥＸにより体積粒度分布を測定したとき、体積累計５０％が０．４６μｍであるＣａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９を使用した。）
・ＨＰＭＣ－１：ヒドロキシプロピルメチルセルロース（信越化学工業（株）製メトローズ（登録商標）６０ＳＨ－０３）
・ＨＰＭＣ－２：ヒドロキシプロピルメチルセルロース（信越化学工業（株）製メトローズ６０ＳＨ－１５）
・ＭＣ：メチルセルロース（信越化学工業（株）製メトローズＭＣ）
・ＨＥＣ：ヒドロキシエチルセルロース（ダイセルファインケム（株）製ＨＥＣダイセルＳＥ４００）
・ＰＶＡ：ポリビニルアルコール（日本酢ビ・ポバール（株）製ＡＴ－１７）
・ＰＥＧ：ポリエチレングリコール（日油（株）製ＰＥＧ＃４０００）
・ｎ－プロパノール（純正化学（株）製）

［実施例１］
　多糖類としてＨＰＭＣ－１（０．０５ｇ、１質量部）を水（３．５ｇ、７４質量部）に溶解させた。Ｃａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９（１．０ｇ、２０質量部）とｎ－プロパノール（０．２５ｇ、５質量部）を添加した。さらにφ１ｍｍのジルコニアビーズを添加し、ミックスローター（１００ｒｐｍ）上で５日間ボールミル処理して実施例組成物Ａを得た。

［実施例２～４］
　表３の組成とした以外は実施例１と同じ手順により実施例組成物Ｂ～Ｄを得た。

［比較例１］
　ＰＶＡ（０．０５ｇ、１質量部）を水（３．５ｇ、７４質量部）に溶解させた。Ｃａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９（１．０ｇ、２０質量部）とｎ－プロパノール（０．２５ｇ、５質量部）を添加した。さらにφ１ｍｍのジルコニアビーズを添加し、ミックスローター（１００ｒｐｍ）上で５日間ボールミル処理して比較例組成物ａを得た。

［比較例２］
　ＰＶＡの代わりにＰＥＧ（０．０５ｇ、１質量部）を用いた以外は比較例１と同じ手順により表４の組成の比較例組成物ｂを得た。

［比較例３］
　ＰＶＡを添加しなかった以外は比較例１と同じ手順により表４の組成の比較例組成物ｃを得た。

［比較例４］
　多糖類としてＨＰＭＣ－１（０．０００５ｇ、０．０１質量部）を用いた以外は実施例１と同じ手順により、表４の組成の比較例組成物ｄを得た。

［比較例５］
　多糖類としてＨＰＭＣ－１（０．０００１ｇ、０．００２質量部）を用いた以外は実施例１と同じ手順により、表４の組成の比較例組成物ｅを得た。

［実施例５］
　実施例組成物Ａを無アルカリガラス基板（２５ｍｍ×２５ｍｍ）上に少量滴下し、スピンコート法（７００ｒｐｍ）を用いて塗膜を形成した。得られた塗膜を１００℃で５分間乾燥し、次いで６００℃で１時間焼成し実施例層Ａ１を得た。実施例層Ａ１は、１００℃の乾燥後及び塗膜の６００℃焼成後においても、割れや剥がれは見られず、ガラス基板上を均一に覆っていることを確認した。図１に実施例層Ａ１の表面状態と断面状態の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察結果を示した。ＳＥＭ観察から実施例層Ａ１は、Ｃａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９微粒子が積層して３．２μｍの層を形成していることが確認できた。

［実施例６］
　実施例組成物Ａをアルミナ基板（１０ｍｍ×１５ｍｍ）上に少量滴下し、スピンコート法（７００ｒｐｍ）を用いて塗膜を形成した。得られた塗膜を１００℃で５分間乾燥し、次いで６００℃で１時間焼成し実施例層Ａ２を得た。実施例層Ａ２は、分散媒の乾燥後、また塗膜の焼成後においても、割れや剥がれは見られず、アルミナ基板上を均一に覆っていることを確認した。実施例層Ａ２の広角Ｘ線回折の測定結果を図２に示す。図２における（ｂ）原料粉末、（ａ）塗膜ともにＣａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９の回折ピークを有しており、コバルト系酸化物からなる熱電変換層であることが確認できた。

　［実施例７］
　実施例６で得られたアルミナ基板上に形成された実施例層Ａ２のゼーベック係数について、１００℃、３５０℃又は６００℃に加熱された実施例層Ａ２の面内に０～５℃の温度差を生じさせ、その時発生した電圧を計測することで算出した。１００℃、３５０℃及び６００℃に加熱された実施例層Ａ２のゼーベック係数を表２に示す。実施例層Ａ２は６００℃の中高温域でも優れた熱電変換能を有することが確認できた。

［実施例８］
　実施例組成物Ａを無アルカリガラス基板（２５ｍｍ×２５ｍｍ）上に少量滴下し、スピンコート法（７００ｒｐｍ）を用いて塗膜を形成した。得られた塗膜を１００℃で５分間乾燥し、次いで６００℃で１時間焼成し実施例層Ａ３を得た。実施例層Ａ３は、分散媒の乾燥後、また塗膜の焼成後においても、割れや剥がれは見られず、ガラス基板上を均一に覆っていることを確認した。また、実施例層Ａ３の膜厚は４．４μｍ、体積抵抗率は１４８ｍΩｃｍであった。実施例組成物Ａ３は、環境に負荷を与えない組成物でありながら、特性の良い均一な熱電変換層を形成できることが示された。

［実施例９～１３］
　表３の組成とした以外は実施例１と同じ手順により実施例組成物Ｅ～Ｉを得た。

［実施例１４～２１］
　実施例組成物Ｂ～Ｉを用いた以外は実施例８と同様の手順で実施例層Ｂ１～Ｉ１を得た。実施例層Ｂ１～Ｉ１は、いずれも１００℃の乾燥後及び塗膜の６００℃焼成後においても、割れや剥がれは見られず、ガラス基板上を均一に覆っていることを確認した。実施例層Ｂ～Ｄの膜厚と導電率は表５の通りであった。実施例組成物Ｂ～Ｄは環境に負荷を与えない組成物でありながら、特性の良い均一な熱電変換層を形成できることが示された。

［比較例６～１０］
　比較例組成物ａ～ｅを用いた以外は実施例５と同様の手順で比較例層ａ１～ｅ１の作製を試みたが、比較例層ａ１～ｅ１のいずれも、１００℃の乾燥後に、割れや剥がれが発生し、基板上に熱電変換層を形成することができなかった。比較例層ａ１、ｂ１に関しては、ＰＶＡ又はＰＥＧとＣａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９とが十分に分散せず凝集していたため、樹脂成分によりＣａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９粒子を基板上に固定できず、乾燥後に、割れや剥がれが発生したと考えられる。比較例層ｃ１～ｅ１に関しては、十分な量の多糖類が存在しないため、粒子同士若しくは粒子と基板とを結合する成分が不足して、乾燥後に割れ、剥がれが発生したと考えられる。多糖類の代わりにＰＶＡやＰＥＧを添加した組成物（比較組成物ａ、比較例組成物ｂ）や、多糖類の添加量が不十分である組成物（比較例組成物ｃ～ｅ）は熱電変換層形成用組成物として機能しないことが確認された。

［成膜性］
　実施例１～４、９～１３、及び比較１～５にて作製した実施例組成物Ａ～Ｉ及び比較例組成物ａ～ｅの無アルカリガラス基板上への成膜性について、目視にて評価した。
○：熱電変換層の割れや剥がれが見られない。
×：熱電変換層の割れや剥がれが見られる。
［表面抵抗値］
　熱電変換層が得られたサンプルに対して、ロレスタ―ＧＰを用いて３点の表面抵抗値を測定し、３点の平均値を熱電変換層の表面抵抗値とした。
［体積抵抗率］
　表面抵抗値と膜厚測定の結果から、下記の式に従い体積抵抗率を算出した。
体積抵抗率（ｍΩｃｍ）＝表面抵抗値（Ω／□）×膜厚（μｍ）×１０－^１

［実施例２２］
　多糖類としてＨＰＭＣ－１（１．５ｇ、１質量部）を水（１１８．５ｇ、７９質量部）に溶解させた。Ｃａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９（２２．５、１５質量部）とｎ－プロパノール（７．５ｇ、５質量部）を添加した。さらにφ１ｍｍのジルコニアビーズを添加し、サンドグラインダー（５００ｒｐｍ）を用いて４時間ボールミル処理して実施例組成物Ｊを得た。
［実施例２３］
　実施例組成物Ｊを無アルカリガラス基板（２５ｍｍ×２５ｍｍ）上に少量滴下し、スピンコート法（７００ｒｐｍ）を用いて塗膜を形成した。得られた塗膜を１００℃で５分間乾燥し、次いで６００℃で１時間焼成し実施例層Ｊ１を得た。実施例層Ｊ１は、１００℃の乾燥後及び塗膜の６００℃焼成後においても、割れや剥がれは見られず、ガラス基板上を均一に覆っていることを確認した。実施例層Ｊ１の成膜性、表面抵抗値及び体積抵抗率を表７に示す。
［実施例２４］
　実施例組成物Ｊを無アルカリガラス基板（２５ｍｍ×２５ｍｍ）上に少量滴下し、スピンコート法（７００ｒｐｍ）を用いて塗膜を形成した。得られた塗膜を１００℃で５分間乾燥し、次いで３５０℃で１時間焼成し実施例層Ｊ２を得た。実施例層Ｊ２の成膜性、表面抵抗値及び体積抵抗率を表７に示す。

［実施例２５］
　実施例組成物Ｊをアルミナ基板（１５ｍｍ×１５ｍｍ）上に少量滴下し、スピンコート法（７００ｒｐｍ）を用いて塗膜を形成した。得られた塗膜を１００℃で５分間乾燥し、次いで６００℃で１時間焼成し実施例層Ｊ３を得た。
［実施例２６］
　実施例組成物Ｊをアルミナ基板上（１５ｍｍ×１５ｍｍ）上に少量滴下し、スピンコート法（７００ｒｐｍ）を用いて塗膜を形成した。得られた塗膜を１００℃で５分間乾燥し、次いで３５０℃で１時間化焼成し実施例層Ｊ４を得た。
［実施例２７］
　アルミナ基板上に形成された実施例層Ｊ３のゼーベック係数について、１００℃、３５０℃または６００℃に加熱された実施例層Ｊ３の面内に０～５℃の温度差を生じさせ、その時発生した電圧を計測することで算出した。実施例層Ｊ３のゼーベック係数を表８に示す。実施例層Ｊ３は５０μＶ／Ｋ以上のゼーベック係数を有することから熱電変換能を有することが確認できた。実施例層Ｊ４に関しても同様の方法にて１００℃、３５０℃に加熱された実施例層におけるゼーベック係数を算出した。実施例層Ｊ４のゼーベック係数を表８に示す。実施例層Ｊ４も５０μＶ／Ｋ以上のゼーベック係数を有することから熱電変換能を有することが確認できた。

［実施例２８］
　実施例組成物Ａを無アルカリガラス基板（２５ｍｍ×２５ｍｍ）上にスピンコート法（７００ｒｐｍ）を用いて塗膜を形成した。得られた塗膜を１００℃で５分間乾燥し、次いで３５０℃で１時間焼成し、最後に塗膜を光焼結（電圧３０００Ｖ、３００μｓｅｃ）し実施例層Ａ４を得た。実施例層Ａ４の膜厚は０．８μｍ、体積抵抗率は３．１×１０^２ｍΩｃｍであった。

Claims

　（Ａ）水、（Ｂ）コバルト系酸化物及び（Ｃ）多糖類を含む熱電変換層形成用組成物であり、該組成物１００質量部に対して、（Ａ）と（Ｂ）との合計は９０～９９．９８質量部であり、（Ｂ）は１～５０質量部であり、（Ｃ）は０．０２～１０質量部である熱電変換層形成用組成物。
　前記（Ｃ）多糖類は、セルロース誘導体である請求項１に記載の熱電変換層形成用組成物。
　前記セルロース誘導体は、ヒドロキシプロピルメチルセルロースである請求項２に記載の熱電変換層形成用組成物。
　前記（Ｂ）コバルト系酸化物は、下記の一般式（１）：
　　Ｃａ_ａ１Ａ^１ _ｂ１Ｃｏ_ｃ１Ａ^２ _ｄ１Ｏ_ｅ１　　　　（１）
（式中、Ａ^１はＮａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｙ及びランタノイドからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ａ^２はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、２．２≦ａ１≦３．６；０≦ｂ１≦０．８；２．０≦ｃ１≦４．５；０≦ｄ１≦２．０；８≦ｅ１≦１０である。）、
一般式（２）：
　　Ｎａ_ａ２Ａ^１ _ｂ２Ｃｏ_ｃ２Ａ^２ _ｄ２Ｏ_ｅ２　　　　　（２）
（式中、Ａ^１はＮａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｙ及びランタノイドからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ａ^２はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、０＜ａ２≦２；０≦ｂ２≦０．６；０＜ｃ２≦２；０≦ｄ２≦０．６；１．０≦ｅ２≦３．０である。）、又は
一般式（３）：
　　Ｂｉ_ａ３Ｍ^１ _ｆ３Ａ^１ _ｂ３Ｃｏ_ｃ３Ａ^２ _ｄ３Ｏ_ｅ３　　　　（３）
（式中、Ｍ^１はＳｒ又はＰｂであり、Ａ^１はＮａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｙ及びランタノイドからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ａ^２はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、１．８≦ａ３≦２．２；０≦ｆ３≦０．４；１．８≦ｂ３≦２．２；１．６≦ｃ３≦２．２；０≦ｄ３≦０．５；８≦ｅ３≦１０である）
で表される化合物である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱電変換層形成用組成物。
　請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱電変換層形成用組成物を基板に塗布して被膜を形成する工程、次いで該被膜から多糖類を除去するために該被膜を３００℃以上の酸化雰囲気にて焼成する工程を含む熱電変換層の製造方法。
　請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱電変換層形成用組成物を基板に塗布して被膜を形成する工程、次いで該被膜から多糖類を除去するために該被膜を酸化雰囲気にて光照射による光焼成する工程を含む熱電変換層の製造方法。
　請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱電変換層形成用組成物を基板に塗布して被膜を形成する工程、該被膜から多糖類を除去するために該被膜を３００℃以上の酸化雰囲気にて焼成する工程、更に該被膜を酸化雰囲気にて光照射による光焼成する工程を含む熱電変換層の製造方法。