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JP7400396B2 - Thermoelectric conversion materials and thermoelectric conversion elements - Google Patents
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JP7400396B2 - Thermoelectric conversion materials and thermoelectric conversion elements - Google Patents

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JP7400396B2 JP2019213169A JP2019213169A JP7400396B2 JP 7400396 B2 JP7400396 B2 JP 7400396B2 JP 2019213169 A JP2019213169 A JP 2019213169A JP 2019213169 A JP2019213169 A JP 2019213169A JP 7400396 B2 JP7400396 B2 JP 7400396B2
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Description

本発明は、熱電変換材料及び該材料を用いた熱電変換素子に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion element using the material.

熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換できる熱電変換材料は、熱電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、熱を電力に変換する素子であり、半導体や金属の組合せによって構成される。代表的な熱電変換素子としては、p型半導体単独、n型半導体単独、又はp型半導体とn型半導体との組合せ、に分類される。熱電変換素子では、半導体の両端に温度差が生じるように熱を加えると起電力が生じるゼーベック効果を利用する。より大きな電位差を得るために、熱電変換素子では、一般的に、材料としてp型半導体とn型半導体とを組合せて使用する。 Thermoelectric conversion materials that can mutually convert thermal energy and electrical energy are used in thermoelectric conversion elements such as thermoelectric generation elements and Peltier elements. A thermoelectric conversion element is an element that converts heat into electric power, and is constructed from a combination of semiconductors and metals. Typical thermoelectric conversion elements are classified into p-type semiconductor alone, n-type semiconductor alone, or a combination of p-type semiconductor and n-type semiconductor. Thermoelectric conversion elements utilize the Seebeck effect, which generates an electromotive force when heat is applied to create a temperature difference between both ends of a semiconductor. In order to obtain a larger potential difference, thermoelectric conversion elements generally use a combination of p-type semiconductor and n-type semiconductor as materials.

また、熱電変換素子は、多数の素子を板状、又は円筒状に組合せてなる熱電モジュールとして使用される。熱エネルギーを直接電力に変換することが出来、例えば、体温で作動する腕時計、地上用発電及び人工衛星用発電における電源として利用できる。熱電変換素子の性能は、熱電変換材料の性能、及びモジュールの耐久性等に依存する。 Further, the thermoelectric conversion element is used as a thermoelectric module formed by combining a large number of elements into a plate shape or a cylindrical shape. Thermal energy can be directly converted into electricity, and can be used, for example, as a power source for wristwatches powered by body temperature, terrestrial power generation, and satellite power generation. The performance of the thermoelectric conversion element depends on the performance of the thermoelectric conversion material, the durability of the module, and the like.

非特許文献1に記載されているとおり、熱電変換材料の性能を表す指標として、無次元熱電性能指数(ZT)が用いられる。また、熱電変換材料の性能を表す指標として、パワーファクターPF(=S2・σ)を用いる場合もある。
上記無次元熱電性能指数「ZT」は、下式(1)により表される。
ZT=(S2・σ・T)/κ ・・・式(1)
ここで、Sはゼーベック係数(V/K)、σは導電率(S・m)、Tは絶対温度(K)、及びκは熱伝導率(W/(m・K))である。熱伝導率κは下式(2)で表される。
κ=α・ρ・C ・・・式(2)
ここで、αは熱拡散率(m2/s)、ρは密度(kg/m3)、及びCは比熱容量(J/(kg・K))である。
つまり、熱電変換の性能(以下、熱電特性とも称す)を向上させるには、ゼーベック係数又は導電率を向上させ、その一方で熱伝導率を低下させることが重要である。
As described in Non-Patent Document 1, a dimensionless thermoelectric figure of merit (ZT) is used as an index representing the performance of thermoelectric conversion materials. Moreover, a power factor PF (=S 2 ·σ) may be used as an index representing the performance of a thermoelectric conversion material.
The dimensionless thermoelectric figure of merit "ZT" is expressed by the following formula (1).
ZT=( S2・σ・T)/κ...Formula (1)
Here, S is the Seebeck coefficient (V/K), σ is the electrical conductivity (S·m), T is the absolute temperature (K), and κ is the thermal conductivity (W/(m·K)). The thermal conductivity κ is expressed by the following formula (2).
κ=α・ρ・C...Formula (2)
Here, α is the thermal diffusivity (m 2 /s), ρ is the density (kg/m 3 ), and C is the specific heat capacity (J/(kg·K)).
That is, in order to improve thermoelectric conversion performance (hereinafter also referred to as thermoelectric characteristics), it is important to improve the Seebeck coefficient or electrical conductivity, while decreasing the thermal conductivity.

代表的な熱電変換材料として、例えば、常温から500Kまではビスマス・テルル系(Bi-Te系)、常温から800Kまでは鉛・テルル系(Pb-Te系)、及び常温から1000Kまではシリコン・ゲルマニウム系(Si-Ge系)等の無機材料が使用されている。 Typical thermoelectric conversion materials include, for example, bismuth/tellurium (Bi-Te) from room temperature to 500K, lead/tellurium (Pb-Te) from room temperature to 800K, and silicon/tellurium (Pb-Te) from room temperature to 1000K. Inorganic materials such as germanium (Si--Ge) are used.

しかし、これらの無機材料を含む熱電変換材料は、しばしば希少元素を含み高コストであるか、又は有害物質を含む場合がある。また、無機材料は加工性に乏しいため、製造工程が複雑となる。そのため、無機材料を含む熱電変換材料については、製造エネルギー及び製造コストが高くなり、汎用化が困難である。さらに、無機材料は剛直であるため、平面ではない形状にも設置可能な、フルキシブル性を有する熱電変換素子を形成することは困難である。 However, thermoelectric conversion materials including these inorganic materials often contain rare elements and are expensive, or may contain harmful substances. Furthermore, since inorganic materials have poor workability, the manufacturing process becomes complicated. Therefore, thermoelectric conversion materials containing inorganic materials require high manufacturing energy and manufacturing costs, making it difficult to generalize them. Furthermore, since inorganic materials are rigid, it is difficult to form flexible thermoelectric conversion elements that can be installed in non-planar shapes.

これに対し、従来の無機材料に代えて、有機材料を用いた熱電変換素子に関する検討が進められている。有機材料は、優れた成形性を有し、かつ無機材料よりも優れた可撓性を有するため、それ自身が分解しない温度範囲での汎用性が高い。また、印刷技術等を容易に活用できるため、製造エネルギーや製造コストの面でも無機材料より有利である。 In response, studies are underway on thermoelectric conversion elements using organic materials instead of conventional inorganic materials. Organic materials have excellent moldability and greater flexibility than inorganic materials, so they are highly versatile within a temperature range in which they do not decompose themselves. Furthermore, since printing technology and the like can be easily utilized, it is more advantageous than inorganic materials in terms of manufacturing energy and manufacturing costs.

特許文献1には、カーボンナノチューブ(CNT)と有機低分子化合物を用いて、熱電変換素子を作成している。しかし材料の強度が不十分であるため、材料の作製中や使用中に割れや基材からの剥がれが発生し、熱電変換性能の低下や歩留まりの低下が懸念される。
特許文献2では、有機色素骨格を高分子分散剤に結合させ、カーボンナノチューブ(CNT)と共に含有させることで、CNT分散性が良く塗布方法に適し、且つ優れた熱起電力を示す熱電材料が記載されている。しかしこの発明では、十分な熱電変換性能は得られず、更なる改良が必要であった。
In Patent Document 1, a thermoelectric conversion element is created using carbon nanotubes (CNT) and an organic low-molecular compound. However, because the strength of the material is insufficient, cracking or peeling from the base material may occur during fabrication or use, leading to concerns about deterioration in thermoelectric conversion performance and yield.
Patent Document 2 describes a thermoelectric material that has good CNT dispersibility, is suitable for coating methods, and exhibits excellent thermoelectromotive force by bonding an organic dye skeleton to a polymeric dispersant and incorporating it together with carbon nanotubes (CNTs). has been done. However, with this invention, sufficient thermoelectric conversion performance could not be obtained, and further improvements were required.

特開2016-219513号JP2016-219513 国際公開第2015/050113号International Publication No. 2015/050113

梶川武信著「熱電変換技術ハンドブック(初版)」エヌ・ティー・エス出版、p.19“Thermoelectric Conversion Technology Handbook (First Edition)” by Takenobu Kajikawa, NTS Publishing, p. 19

本発明が解決しようとする課題は、ゼーベック係数と導電性との両立を達成し、高いパワーファクターを示し、高い強度を有する熱電変換材料を提供することである。また、当該材料を用いて、優れた熱電性能を発揮する熱電変換素子を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a thermoelectric conversion material that achieves both Seebeck coefficient and conductivity, exhibits a high power factor, and has high strength. Another object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element that exhibits excellent thermoelectric performance using the material.

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明に至った。すなわち、本発明は、炭素材料、金属材料及び導電性高分子からなる群から選ばれる少なくとも1種の導電材料(A)並びに有機高分子化合物(B)を含有し、上記有機高分子化合物(B)は、非共役高分子であり、ピロロピロール骨格を有する単量体の繰り返し単位を有し、質量平均分子量が10,000~200,000である熱電変換材料に関する。 The present inventors have conducted extensive research to solve the above problems, and as a result, have arrived at the present invention. That is, the present invention contains at least one conductive material (A) selected from the group consisting of a carbon material, a metal material, and a conductive polymer, and an organic polymer compound (B), and the organic polymer compound (B) ) relates to a thermoelectric conversion material which is a non-conjugated polymer, has a repeating unit of a monomer having a pyrrolopyrrole skeleton, and has a mass average molecular weight of 10,000 to 200,000.

また、本発明は、上記有機高分子化合物(B)が、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を有する上記熱電変換材料に関する。
一般式(1)
The present invention also relates to the thermoelectric conversion material in which the organic polymer compound (B) has a repeating unit represented by the following general formula (1).
General formula (1)

Figure 0007400396000001
Figure 0007400396000001

[一般式(1)中、Xは、アルキレン基、オキシアルキレン基、チオアルキレン基およびこれらの基同士が結合した基からなる群より選ばれる2価の連結基を表し、Y1およびY2は、それぞれ独立に、酸素原子、硫黄原子、又はジシアノメチレン基を表し、R1およびR2は、それぞれ独立に、置換もしくは未置換のアリール基、又は置換もしくは未置換の複素環基を表す。] [In general formula (1), X represents a divalent linking group selected from the group consisting of an alkylene group, an oxyalkylene group, a thioalkylene group, and a group in which these groups are bonded together, and Y 1 and Y 2 are , each independently represents an oxygen atom, a sulfur atom, or a dicyanomethylene group, and R 1 and R 2 each independently represent a substituted or unsubstituted aryl group or a substituted or unsubstituted heterocyclic group. ]

また、本発明は、上記導電材料(A)が、カーボンナノチューブ、ケッチェンブラック、グラフェンナノプレート及びグラフェンからなる群から選ばれる少なくとも一種を含む上記熱電変換材料に関する。 The present invention also relates to the thermoelectric conversion material, in which the conductive material (A) includes at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes, Ketjenblack, graphene nanoplates, and graphene.

また、本発明は、上記導電材料(A)が、カーボンナノチューブである上記熱電変換材料に関する。 Further, the present invention relates to the thermoelectric conversion material, wherein the conductive material (A) is a carbon nanotube.

また、本発明は、上記熱電変換材料からなる熱電変換膜と、電極とを有し、上記熱電変換膜及び上記電極が電気的に接続されている熱電変換素子に関する。 The present invention also relates to a thermoelectric conversion element that includes a thermoelectric conversion film made of the thermoelectric conversion material and an electrode, and in which the thermoelectric conversion film and the electrode are electrically connected.

本発明により、ゼーベック係数と導電性との両立を達成し、高い材料強度を有する熱電変換材料を提供することができる。また、当該材料を用いて、優れた熱電性能を発揮する熱電変換素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a thermoelectric conversion material that achieves both Seebeck coefficient and electrical conductivity and has high material strength. Furthermore, using the material, it is possible to provide a thermoelectric conversion element that exhibits excellent thermoelectric performance.

本発明の実施形態である熱電変換素子の一例の構造を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing the structure of an example of a thermoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態である熱電変換素子の起電力の測定方法を説明する模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a method for measuring electromotive force of a thermoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention.

<熱電変換材料>
本発明の熱電変換材料は、導電材料(A)及び有機高分子化合物(B)を含み、有機高分子化合物(B)は、非共役高分子であり、ピロロピロール骨格を有する単量体の繰り返し単位を有し、質量平均分子量が10,000~200,000ことを特徴とする。
このような特定の組み合わせにより、高いゼーベック係数と導電性とを両立し、高い材料強度を有し、優れた熱電性能を発揮することができる。これは、熱励起エネルギーの小さい有機化合物から効率的に導電材料へ正孔(キャリア)が移動し、その正孔が導電材料内を移動することで、高いゼーベック係数と導電率とを達成することによる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
<Thermoelectric conversion materials>
The thermoelectric conversion material of the present invention includes a conductive material (A) and an organic polymer compound (B), where the organic polymer compound (B) is a non-conjugated polymer and is a repeating monomer having a pyrrolopyrrole skeleton. unit and has a mass average molecular weight of 10,000 to 200,000.
With such a specific combination, it is possible to achieve both a high Seebeck coefficient and conductivity, have high material strength, and exhibit excellent thermoelectric performance. This is because holes (carriers) efficiently move from an organic compound with low thermal excitation energy to a conductive material, and the holes move within the conductive material to achieve a high Seebeck coefficient and conductivity. by.
Embodiments of the present invention will be described in detail below.

<導電材料(A)>
導電材料(A)は、導電性向上に寄与するものである。導電材料(A)の含有量を増やすことで導電性を向上させることができる。
導電材料(A)は、導電性を持つ炭素材料、金属材料、導電性高分子であれば特に制限されず、例えば、炭素材料としては、黒鉛、カーボンナノチューブ、ケッチェンブラック、グラフェンナノプレート、グラフェン等が挙げられ、金属材料としては、金、銀、銅、ニッケル、クロム、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、インジウム、ケイ素、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ゲルマニウム、ガリウム及び白金等の金属粉、並びにZnSe、CdS、InP、GaN、SiC、SiGeこれらの合金、並びにこれらの複合粉が挙げられる。また、核体と、上記核体物質とは異なる物質で被覆した微粒子、具体的には、例えば、銅を核体とし、その表面を銀で被覆した銀コート銅粉等が挙げられる。また、例えば酸化銀、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化ルテニウム、ITO(スズドープ酸化インジウム)、AZO(アルミドープ酸化亜鉛)、及びGZO(ガリウムドープ酸化亜鉛)等の金属酸化物の粉末、並びにこれらの金属酸化物で表面被覆した粉末等が挙げられ、導電性高分子としては、PEDOT/PSS、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン等が挙げられる。使用する導電材料の種類は1種でもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
<Conductive material (A)>
The conductive material (A) contributes to improving conductivity. Conductivity can be improved by increasing the content of the conductive material (A).
The conductive material (A) is not particularly limited as long as it is a conductive carbon material, metal material, or conductive polymer. For example, carbon materials include graphite, carbon nanotubes, Ketjenblack, graphene nanoplates, and graphene. Examples of metal materials include metal powders such as gold, silver, copper, nickel, chromium, palladium, rhodium, ruthenium, indium, silicon, aluminum, tungsten, molybdenum, germanium, gallium, and platinum, as well as ZnSe and CdS. , InP, GaN, SiC, SiGe, alloys thereof, and composite powders thereof. Further, fine particles having a nucleus covered with a substance different from the above-mentioned nucleus substance, specifically, for example, silver-coated copper powder having a core made of copper and whose surface is coated with silver, etc., can be mentioned. In addition, powders of metal oxides such as silver oxide, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, ruthenium oxide, ITO (tin-doped indium oxide), AZO (aluminum-doped zinc oxide), and GZO (gallium-doped zinc oxide), Examples include powders whose surfaces are coated with these metal oxides, and examples of conductive polymers include PEDOT/PSS, polyaniline, polyacetylene, polypyrrole, polythiophene, polyparaphenylene, and the like. One type of conductive material may be used, or two or more types may be used in combination.

導電材料(A)の形状は特に限定されず、不定形、凝集状、鱗片状、微結晶状、球状、フレーク状、ワイヤー状等を適宜用いることができる。 The shape of the conductive material (A) is not particularly limited, and amorphous shapes, aggregate shapes, scale shapes, microcrystal shapes, spherical shapes, flake shapes, wire shapes, etc. can be used as appropriate.

ゼーベック係数と導電率との両立の観点で、カーボンナノチューブ、ケッチェンブラック、グラフェンナノプレート及びグラフェンからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましく、より好ましくはカーボンナノチューブであり、特に好ましくは単層カーボンナノチューブである。 From the viewpoint of achieving both Seebeck coefficient and electrical conductivity, at least one member selected from the group consisting of carbon nanotubes, Ketjenblack, graphene nanoplates, and graphene is preferred, carbon nanotubes are more preferred, and single-walled carbon is particularly preferred. They are nanotubes.

導電材料(A)としては、例えば、薄片状黒鉛として、日本黒鉛工業社製のCMX、UP-5、UP-10、UP-20、UP-35N、CSSP、CSPE、CSP、CP、CB-150、CB-100、ACP、ACP-1000、ACB-50、ACB-100、ACB-150、SP-10、SP-20、J-SP、SP-270、HOP、GR-60、LEP、F#1、F#2、F#3、中越黒鉛工業所社製のBF-3AK、FBF、BF-15AK、CBR、CPB-6S、CPB-3、96L、96L-3、K-3、SC-120、SC-60、HLP、CP-150、SB-1、伊藤黒鉛工業社製のEC1500、EC1000、EC500、EC300、EC100、EC50、西村黒鉛社製の10099M、PB-99等が挙げられる。球状天然黒鉛としては、日本黒鉛工業社製のCGC-20、CGC-50、CGB-20、CGB-50が挙げられる。土状黒鉛としては、日本黒鉛工業社製の青P、AP、AOP、P#1、中越黒鉛社製のAPR、K-5、AP-2000、AP-6、300F、150Fが挙げられる。人造黒鉛としては、日本黒鉛工業社製のPAG-60、PAG-80、PAG-120、PAG-5、HAG-10W、HAG-150、中越黒鉛社製のG-4AK、G-6S、G-3G-150、G-30、G-80、G-50、SMF、EMF、SFF、SFF-80B、SS-100、BSP-15AK、BSP-100AK、WF-15C、SECカーボン社製のSGP-100、SGP-50、SGP-25、SGP-15、SGP-5、SGP-1、SGO-100、SGO-50、SGO-25、SGO-15、SGO-5、SGO-1、SGX-100、SGX-50、SGX-25、SGX-15、SGX-5、SGX-1が挙げられる。市販のカーボンブラックとしては、例えば、東海カーボン社製のトーカブラック#4300、#4400、#4500、#5500、デグサ社製のプリンテックスL、コロンビヤン社製のRaven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULTRA、Conductex SC ULTRA、Conductex 975 ULTRA、PUERBLACK100、115、205、三菱化学社製の#2350、#2400B、#2600B、#3050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、#5400B、キャボット社製のMONARCH1400、1300、900、VulcanXC-72R、BlackPearls2000、TIMCAL社製のEnsaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、SuperP-Li等のファーネスブラック)、ライオン社製のEC-300J、EC-600JD等のケッチェンブラック、電気化学工業社製のデンカブラック、デンカブラックHS-100、FX-35等のアセチレンブラックが挙げられる。市販の導電性炭素繊維やカーボンナノチューブとしては、昭和電工社製のVGCF等の気相法炭素繊維、名城ナノカーボン社製のEC1.5,EC1.5-P、ОCSiAl社製のTUBALL、ゼオンナノテクノロジー社製のZEONANO等の単層カーボンナノチューブ、CNano社製のFloTube9000、FloTube7000、FloTube2000、Nanocyl社製のNC7000、Knano社製の100T、200Pが挙げられる。これらは特に限定されず、単独、又は2種以上を混合して使用することができる。 Examples of the conductive material (A) include flaky graphite such as CMX, UP-5, UP-10, UP-20, UP-35N, CSSP, CSPE, CSP, CP, and CB-150 manufactured by Nippon Graphite Industries. , CB-100, ACP, ACP-1000, ACB-50, ACB-100, ACB-150, SP-10, SP-20, J-SP, SP-270, HOP, GR-60, LEP, F#1 , F#2, F#3, BF-3AK, FBF, BF-15AK, CBR, CPB-6S, CPB-3, 96L, 96L-3, K-3, SC-120 manufactured by Chuetsu Graphite Industries Co., Ltd. Examples include SC-60, HLP, CP-150, SB-1, EC1500, EC1000, EC500, EC300, EC100, EC50 manufactured by Ito Graphite Industries, and 10099M and PB-99 manufactured by Nishimura Graphite Co., Ltd. Examples of the spherical natural graphite include CGC-20, CGC-50, CGB-20, and CGB-50 manufactured by Nippon Graphite Industries. Examples of the earthy graphite include Blue P, AP, AOP, and P#1 manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., and APR, K-5, AP-2000, AP-6, 300F, and 150F manufactured by Chuetsu Graphite Co., Ltd. Examples of artificial graphite include PAG-60, PAG-80, PAG-120, PAG-5, HAG-10W, HAG-150 manufactured by Nippon Graphite Industries, and G-4AK, G-6S, G- manufactured by Chuetsu Graphite Co., Ltd. 3G-150, G-30, G-80, G-50, SMF, EMF, SFF, SFF-80B, SS-100, BSP-15AK, BSP-100AK, WF-15C, SGP-100 manufactured by SEC Carbon , SGP-50, SGP-25, SGP-15, SGP-5, SGP-1, SGO-100, SGO-50, SGO-25, SGO-15, SGO-5, SGO-1, SGX-100, SGX -50, SGX-25, SGX-15, SGX-5, and SGX-1. Commercially available carbon blacks include, for example, Toka Black #4300, #4400, #4500, #5500 manufactured by Tokai Carbon, Printex L manufactured by Degussa, Raven 7000, 5750, 5250, 5000ULTRAIII, 5000ULTRA manufactured by Columbian, Conductex SC ULTRA, Conductex 975 ULTRA, PUERBLACK100, 115, 205, Mitsubishi Chemical #2350, #2400B, #2600B, #3050B, #3030B, #3230B, #3350B, #3400B, #5 400B, made by Cabot MONARCH1400, 1300, 900, Vulcan Ketjen black such as 600JD, electrochemical Examples include acetylene black such as Denka Black, Denka Black HS-100, and FX-35 manufactured by Kogyo Co., Ltd. Commercially available conductive carbon fibers and carbon nanotubes include vapor grown carbon fibers such as VGCF manufactured by Showa Denko, EC1.5 and EC1.5-P manufactured by Meijo Nano Carbon, TUBALL manufactured by OCSiAl, and Zeon Nano. Examples include single-walled carbon nanotubes such as ZEONANO manufactured by Technology, FloTube9000, FloTube7000, and FloTube2000 manufactured by CNano, NC7000 manufactured by Nanocyl, and 100T and 200P manufactured by Knano. These are not particularly limited, and can be used alone or in combination of two or more.

<有機高分子化合物(B)>
有機高分子化合物(B)は、非共役高分子であり、ピロロピロール骨格を有する単量体の繰り返し単位を有し、質量平均分子量が10,000~200,000を有する。本発明での非共役高分子とは、高分子の主鎖上の炭素-炭素結合において、一重結合と二重結合とが交互に連なる構造が、繰り返し単位間を跨いで有していない高分子を指す。
<Organic polymer compound (B)>
The organic polymer compound (B) is a non-conjugated polymer, has a repeating unit of a monomer having a pyrrolopyrrole skeleton, and has a mass average molecular weight of 10,000 to 200,000. In the present invention, a non-conjugated polymer is a polymer that does not have a structure in which carbon-carbon bonds on the main chain of the polymer have alternating single bonds and double bonds spanning between repeating units. refers to

熱電変換のメカニズムは以下のように考えられる。熱励起をした有機高分子化合物(B)内に、キャリア(正孔または電子)が生じ、そのキャリアが導電材料(A)へと移動し、導電材料(A)内での電位差が生じ電流が流れる。つまり、有機高分子化合物(B)及び導電材料(A)間のキャリア移動が効率的になるほど、導電材料(A)内での電位差が大きくなり、ゼーベック係数が向上する。キャリア移動を効率的にする具体的な方法は明確にはわかっていないが、有機高分子化合物(B)と導電材料(A)間の親和性からくる距離の近さ、有機高分子化合物(B)と導電材料(A)間のエネルギー準位の関係、有機高分子化合物(B)の励起状態の長さ(励起寿命)などが影響していると考えられる。本発明の有機高分子化合物(B)はピロロピロール骨格を有しており、これにより、導電材料(A)とのエネルギー準位の差を小さくすることができ、効率的なキャリア移動を実現できると考える。また、ピロロピロール骨格を使用した際、キャリアは正孔になると考えられる。その場合、有機高分子化合物(B)のHOMOは導電材料(A)のHOMO(又は、導電材料が金属である場合はフェルミ準位)よりも深いと、効率的なキャリア移動を実現し熱電変換性能が向上できるため、好ましい。 The mechanism of thermoelectric conversion is thought to be as follows. Carriers (holes or electrons) are generated in the thermally excited organic polymer compound (B), and the carriers move to the conductive material (A), creating a potential difference within the conductive material (A) and causing a current to flow. flows. That is, the more efficient carrier movement between the organic polymer compound (B) and the conductive material (A) becomes, the greater the potential difference within the conductive material (A) becomes, and the Seebeck coefficient improves. Although the specific method for making carrier transfer efficient is not clearly understood, it is important to consider the short distance between the organic polymer compound (B) and the conductive material (A) due to the affinity between the organic polymer compound (B) and the conductive material (A). ) and the conductive material (A), the length of the excited state (excitation lifetime) of the organic polymer compound (B), etc. are considered to have an influence. The organic polymer compound (B) of the present invention has a pyrrolopyrrole skeleton, which can reduce the difference in energy level with the conductive material (A) and realize efficient carrier movement. I think so. Further, when a pyrrolopyrrole skeleton is used, it is thought that the carrier becomes a hole. In that case, if the HOMO of the organic polymer compound (B) is deeper than the HOMO of the conductive material (A) (or the Fermi level if the conductive material is a metal), efficient carrier movement will be realized and thermoelectric conversion will be achieved. This is preferable because performance can be improved.

また、上記メカニズムにおけるキャリア移動の効率は、導電材料(A)と有機高分子化合物(B)との接触状態にも影響される。導電材料(A)と多環芳香族等の低分子化合物を接触させることでゼーベック係数などの熱電変換性能を向上させる検討は知られているが、多環芳香族等の低分子化合物は結晶性が高いものも多く、低分子化合物同士で凝集・結晶化してしまい導電材料(A)と効率よく接触できなくなる可能性がある。本発明の有機高分子化合物(B)を用いることで、多環芳香族部位を高分子中に多数持たせることができる。これにより、導電材料(A)への吸着力を向上させ、多環芳香族部位同士の結晶性を低下させることができ、導電材料(A)と効率よく接触させることができると考える。また、有機高分子化合物(B)を用いることで膜の強度を向上できるため、屈曲などの変化に対しても素子の割れや剥がれを抑制できるほか、導電材料(A)と有機高分子化合物(B)との接触状態の変化させづらくなるため、熱電変換特性の変化も抑制させることができる。有機高分子化合物(B)の分子量を10,000以上とすることで、通常の溶剤乾燥条件では非晶状態を取りやすく、導電材料(A)と効率よく接触させることで、熱電変換性能の向上が期待できる。また、分子量が200,000以下とすることで、塗膜中に有機高分子化合物(B)を均一に分布させやすく、高い性能が期待できる。 Furthermore, the efficiency of carrier movement in the above mechanism is also influenced by the contact state between the conductive material (A) and the organic polymer compound (B). Studies are known to improve thermoelectric conversion performance such as the Seebeck coefficient by bringing the conductive material (A) into contact with low-molecular compounds such as polycyclic aromatics, but low-molecular compounds such as polycyclic aromatics are crystalline. Many of them have a high value, and there is a possibility that low-molecular-weight compounds may aggregate and crystallize with each other, making it impossible to make efficient contact with the conductive material (A). By using the organic polymer compound (B) of the present invention, a large number of polycyclic aromatic moieties can be provided in the polymer. It is believed that this improves the adsorption force to the conductive material (A), reduces the crystallinity of the polycyclic aromatic moieties, and enables efficient contact with the conductive material (A). Furthermore, since the strength of the film can be improved by using the organic polymer compound (B), cracking and peeling of the device can be suppressed even when changes such as bending occur. Since it becomes difficult to change the contact state with B), changes in thermoelectric conversion characteristics can also be suppressed. By setting the molecular weight of the organic polymer compound (B) to 10,000 or more, it is easy to take an amorphous state under normal solvent drying conditions, and by bringing it into efficient contact with the conductive material (A), the thermoelectric conversion performance is improved. can be expected. Moreover, by setting the molecular weight to 200,000 or less, it is easy to uniformly distribute the organic polymer compound (B) in the coating film, and high performance can be expected.

また、有機高分子化合物(B)は、熱電変換材料中でゼーベック係数の向上に寄与する。有機高分子化合物(B)の含有量を増やすことでゼーベック係数を向上させることができるが、有機高分子化合物(B)の含有量を増やすと絶縁性が増して導電性が低下するため、ゼーベック係数と導電率との両立の観点から、有機高分子化合物(B)の含有量は、上記導電材料(A)の全量に対して400質量%以下が好ましく、より好ましくは200質量%以下であり、更に好ましくは3~120質量%であり、特に好ましくは5~100質量%である。 Furthermore, the organic polymer compound (B) contributes to improving the Seebeck coefficient in the thermoelectric conversion material. The Seebeck coefficient can be improved by increasing the content of the organic polymer compound (B), but increasing the content of the organic polymer compound (B) increases the insulating property and decreases the conductivity. From the viewpoint of achieving both coefficient and conductivity, the content of the organic polymer compound (B) is preferably 400% by mass or less, more preferably 200% by mass or less based on the total amount of the conductive material (A). , more preferably 3 to 120% by weight, particularly preferably 5 to 100% by weight.

上記の条件を満たす、有機高分子化合物(B)として一般式(1)で表される繰り返し単位を有することが好ましい。 It is preferable to have a repeating unit represented by the general formula (1) as the organic polymer compound (B) that satisfies the above conditions.

ここで、一般式(1)中のX、R1およびR2について説明する。 Here, X, R 1 and R 2 in general formula (1) will be explained.

アルキレン基としては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基、オクチレン基、デシレン基、ドデシレン基などが挙げられる。アルキレン基としては、炭素数2~8のものが好ましい。 Examples of the alkylene group include a methylene group, an ethylene group, a propylene group, a butylene group, a pentylene group, a hexylene group, an octylene group, a decylene group, and a dodecylene group. The alkylene group preferably has 2 to 8 carbon atoms.

オキシアルキレン基としては、オキシメチレン基、オキシエチレン基、オキシプロピレン基、オキシブチレン基、オキシオクチレン基などが挙げられる。オキシアルキレン基としては、炭素数2~8のものが好ましい。 Examples of the oxyalkylene group include oxymethylene group, oxyethylene group, oxypropylene group, oxybutylene group, and oxyoctylene group. The oxyalkylene group preferably has 2 to 8 carbon atoms.

チオアルキレン基としては、チオメチレン基、チオエチレン基、チオプロピレン基、チオブチレン基、チオオクチレン基などが挙げられる。チオアルキレン基としては、炭素数2~8のものが好ましい。 Examples of the thioalkylene group include a thiomethylene group, a thioethylene group, a thiopropylene group, a thiobutylene group, and a thiooctylene group. The thioalkylene group preferably has 2 to 8 carbon atoms.

未置換のアリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アンスリル基、フェナントリル基、ピレニル基などの未置換のアリール基が挙げられる。未置換のアリール基として、好ましくはフェニル基もしくはナフチル基が挙げられる。
置換アリール基における置換基としては、水素原子が、ハロゲン原子、水酸基、カルボキシル基、シアノ基、ニトロ基、アミン基、アルデヒド基、カルボキシル基、アルキル基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アルキルチオ基、アリールチオ基、又は、複素環基で置換されたアリール基が挙げられる。置換アリール基としては、炭素数1~8のアルキル基またはハロゲン原子で置換されたアリーレン基が好ましい。
Examples of the unsubstituted aryl group include unsubstituted aryl groups such as phenyl group, naphthyl group, anthryl group, phenanthryl group, and pyrenyl group. Preferred examples of the unsubstituted aryl group include phenyl and naphthyl groups.
Substituents in the substituted aryl group include hydrogen atoms, halogen atoms, hydroxyl groups, carboxyl groups, cyano groups, nitro groups, amine groups, aldehyde groups, carboxyl groups, alkyl groups, alkoxy groups, aryloxy groups, alkylthio groups, and arylthio groups. or an aryl group substituted with a heterocyclic group. The substituted aryl group is preferably an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms or an arylene group substituted with a halogen atom.

未置換の複素環基としては、例えば、フリル基、チエニル基、ピローリル基、ピリジル基、ピラジル基、オキサゾリル基、イソオキサゾリル基、チアゾリル基、イソチアゾリル基、イミダゾリル基、ピラゾリル基、キノリル基、イソキノリル基、キノキサリニル基、ベンゾフリル基、ベンゾチエニル基、インドリル基、カルバゾリル基、アクリジニル基などの複素環基が挙げられる。未置換の複素環基としては、芳香族複素環基が好ましく、また5員環または6員環の複素環基が好ましい。
置換複素環基における置換基としては、 置換アリール基における置換基と同じものが挙げられる。
Examples of unsubstituted heterocyclic groups include furyl group, thienyl group, pyrrolyl group, pyridyl group, pyrazyl group, oxazolyl group, isoxazolyl group, thiazolyl group, isothiazolyl group, imidazolyl group, pyrazolyl group, quinolyl group, isoquinolyl group, Examples include heterocyclic groups such as a quinoxalinyl group, a benzofuryl group, a benzothienyl group, an indolyl group, a carbazolyl group, and an acridinyl group. The unsubstituted heterocyclic group is preferably an aromatic heterocyclic group, and preferably a 5-membered or 6-membered heterocyclic group.
Examples of the substituent in the substituted heterocyclic group include the same substituents as in the substituted aryl group.

<その他成分>
本発明の熱電変換材料は、その特性を向上させる観点から、必要に応じて、追加の成分を含んでよい。
<Other ingredients>
The thermoelectric conversion material of the present invention may contain additional components as necessary from the viewpoint of improving its properties.

(溶剤)
溶剤は、導電材料(A)と有機高分子化合物(B)とを混合するために使用しても良く、インキ化による塗工性向上が可能とする。使用できる溶剤としては、導電材料(A)と有機高分子化合物(B)とを溶解又は良分散できれば特に限定されず、有機溶剤や水を挙げることができ、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
(solvent)
The solvent may be used to mix the conductive material (A) and the organic polymer compound (B), making it possible to improve the coating properties by forming it into an ink. The solvent that can be used is not particularly limited as long as it can dissolve or disperse the conductive material (A) and the organic polymer compound (B) well, and examples include organic solvents and water, and two or more types can be used in combination. good.

有機溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、テトラヒドロフラン、ジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類、ヘキサン、ヘプタン、オクタン等の炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、クメン等の芳香族類、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類、ターピネオール、ジヒドロターピネオール、2,4-ジエチル-1,5-ペンタンジオール、1、3-ブチレングリコール、イソボルニルシクロヘキサノール、N-メチルピロリドン等から、必要に応じて適宜選択することができる。 導電材料(A)と有機高分子化合物(B)を分散する溶剤としては、N-メチルピロリドンが特に好ましい。 Examples of organic solvents include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol methyl ether, and diethylene glycol methyl ether; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone; tetrahydrofuran, dioxane, and ethylene glycol dimethyl ether; Ethers such as diethylene glycol dimethyl ether, hydrocarbons such as hexane, heptane, octane, aromatics such as benzene, toluene, xylene, cumene, esters such as ethyl acetate, butyl acetate, terpineol, dihydroterpineol, 2,4- It can be appropriately selected from diethyl-1,5-pentanediol, 1,3-butylene glycol, isobornylcyclohexanol, N-methylpyrrolidone, etc. as required. N-methylpyrrolidone is particularly preferred as the solvent for dispersing the conductive material (A) and the organic polymer compound (B).

(助剤)
本発明の熱電変換材料は、例えば、以下に例示する助剤を添加することによって、塗工性、導電性、塗膜強度、塗膜密着性、耐候性、耐熱性、及び熱電特性のさらなる向上が可能となる。使用可能な助剤は、特に限定されず、例えば、ラクタム類、アルコール類、アミノアルコール類、カルボン酸類、酸無水物類、及びイオン性液体が挙げられる。具体例は以下のとおりである。
ラクタム類:、ピロリドン、カプロラクタム、N-メチルカプロラクタム、及びN-オクチルピロリドン等。
アルコール類:ショ糖、グルコース、フルクトース、ラクトース、ソルビトール、マンニトール、キシリトール等。
アミノアルコール類:ジエタノールアミン、及びトリエタノールアミン等。 カルボン酸類:2-フランカルボン酸、3-フランカルボン酸、ジクロロ酢酸、及びトリフルオロ酢酸等。
酸無水物類:無水酢酸、無水プロピオン酸、無水アクリル酸、無水メタクリル酸、無水安息香酸、無水コハク酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸、無水グルタル酸、無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸(別名:シクロヘキサン-1,2-ジカルボン酸無水物)、無水トリメリット酸、ヘキサヒドロ無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、無水ハイミック酸、ビフェニルテトラカルボン酸無水物、1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、及び9,9-フルオレニリデンビス無水フタル酸等。スチレン-無水マレイン酸コポリマー、エチレン-無水マレイン酸コポリマー、イソブチレン-無水マレイン酸コポリマー、アルキルビニルエーテル-無水マレイン酸コポリマー等の、無水マレイン酸と他のビニルモノマーとを共重合したコポリマー等。
(Auxiliary agent)
The thermoelectric conversion material of the present invention can further improve coatability, conductivity, film strength, film adhesion, weather resistance, heat resistance, and thermoelectric properties by adding, for example, the following auxiliary agents. becomes possible. Usable auxiliaries are not particularly limited, and include, for example, lactams, alcohols, amino alcohols, carboxylic acids, acid anhydrides, and ionic liquids. Specific examples are as follows.
Lactams: pyrrolidone, caprolactam, N-methylcaprolactam, N-octylpyrrolidone, etc.
Alcohols: sucrose, glucose, fructose, lactose, sorbitol, mannitol, xylitol, etc.
Amino alcohols: diethanolamine, triethanolamine, etc. Carboxylic acids: 2-furancarboxylic acid, 3-furancarboxylic acid, dichloroacetic acid, trifluoroacetic acid, etc.
Acid anhydrides: acetic anhydride, propionic anhydride, acrylic anhydride, methacrylic anhydride, benzoic anhydride, succinic anhydride, maleic anhydride, itaconic anhydride, glutaric anhydride, phthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, hexahydro Phthalic anhydride (also known as cyclohexane-1,2-dicarboxylic anhydride), trimellitic anhydride, hexahydro trimellitic anhydride, pyromellitic anhydride, himic anhydride, biphenyltetracarboxylic anhydride, 1,2,3 , 4-butanetetracarboxylic anhydride, naphthalenetetracarboxylic anhydride, and 9,9-fluorenylidene bisphthalic anhydride. Copolymers made by copolymerizing maleic anhydride with other vinyl monomers, such as styrene-maleic anhydride copolymers, ethylene-maleic anhydride copolymers, isobutylene-maleic anhydride copolymers, and alkyl vinyl ether-maleic anhydride copolymers.

導電性及び熱電特性の観点から、助剤として、ラクタム類及びアルコール類の少なくとも一方を使用することが好ましい。助剤の含有量は、熱電変換材料の全質量を基準として、0.1~30質量%の範囲が好ましく、1~10質量%の範囲がより好ましく、1~5質量%の範囲がさらに好ましい。助剤の含有量を0.1質量%以上にすることで、導電性及び熱電特性の向上効果を容易に得ることができる。また、助剤の含有量を50質量%以下にした場合、膜物性の低下を抑制することができる。 From the viewpoint of electrical conductivity and thermoelectric properties, it is preferable to use at least one of lactams and alcohols as the auxiliary agent. The content of the auxiliary agent is preferably in the range of 0.1 to 30% by mass, more preferably in the range of 1 to 10% by mass, and even more preferably in the range of 1 to 5% by mass, based on the total mass of the thermoelectric conversion material. . By setting the content of the auxiliary agent to 0.1% by mass or more, the effect of improving conductivity and thermoelectric properties can be easily obtained. Moreover, when the content of the auxiliary agent is 50% by mass or less, deterioration of the film physical properties can be suppressed.

(樹脂)
本発明の熱電変換材料は、成膜性や膜強度の調整等を目的として、導電性及び熱電特性に影響しない範囲で、樹脂を含んでもよい。
樹脂は、熱電変換材料の各成分に相溶又は混合分散するものであればよい。熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂のいずれを用いても良い。使用可能な樹脂の具体例として、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、ビニル樹脂、エポキシ樹脂、キシレン樹脂、アラミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリウレア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリエーテル樹脂、アクリル樹脂、アクリルアミド樹脂、アクリロニトリル樹脂、及びこれらの共重合樹脂等が挙げられる。特に限定するものではないが、一実施形態において、ポリウレタン樹脂、ポリエーテル樹脂、アクリル樹脂、及びアクリルアミド樹脂からなる群から選択される少なくとも1種を使用することが好ましい。
(resin)
The thermoelectric conversion material of the present invention may contain a resin for the purpose of adjusting film formability and film strength, etc., to the extent that it does not affect conductivity and thermoelectric properties.
The resin may be any resin as long as it is compatible with or mixed and dispersed in each component of the thermoelectric conversion material. Either thermosetting resin or thermoplastic resin may be used. Specific examples of usable resins include polyester resin, polyimide resin, polyamide resin, fluororesin, vinyl resin, epoxy resin, xylene resin, aramid resin, polyurethane resin, polyurea resin, melamine resin, phenol resin, polyether resin, and acrylic. Examples include resins, acrylamide resins, acrylonitrile resins, and copolymer resins thereof. Although not particularly limited, in one embodiment, it is preferable to use at least one selected from the group consisting of polyurethane resins, polyether resins, acrylic resins, and acrylamide resins.

(無機熱電材料から成る微粒子)
本発明の熱電変換材料は、熱電変換性能を高めるために、必要に応じて、無機熱電材料から成る微粒子を含んでもよい。 無機熱電材料の一例として、Bi-(Te、Se)系、Si-Ge系、Mg-Si系、Pb-Te系、GeTe-AgSbTe系、(Co、Ir、Ru)-Sb系、(Ca、Sr、Bi)Co25系等を挙げることができる。より具体的には、Bi2Te3、PbTe、AgSbTe2、GeTe、Sb2Te3、NaCo24、CaCoO3、SrTiO3、ZnO、SiGe、Mg2Si、FeSi2、Ba8Si46、MnSi1.73、ZnSb、Zn4Sb3、GeFe3CoSb12、及びLaFe3CoSb12からなる群から選択される少なくとも1種を使用することができる。このとき、上記無機熱電材料に不純物を加えて極性(p型、n型)や導電率を制御して利用してもよい。無機熱電材料を使用する場合、その使用量は、成膜性や膜強度に影響しない範囲で調整する。
(Fine particles made of inorganic thermoelectric material)
The thermoelectric conversion material of the present invention may contain fine particles made of an inorganic thermoelectric material, if necessary, in order to improve thermoelectric conversion performance. Examples of inorganic thermoelectric materials include Bi-(Te, Se) based, Si-Ge based, Mg-Si based, Pb-Te based, GeTe-AgSbTe based, (Co, Ir, Ru)-Sb based, (Ca, Examples include Sr, Bi)Co 2 O 5 systems, and the like. More specifically, Bi2Te3 , PbTe , AgSbTe2 , GeTe, Sb2Te3 , NaCo2O4 , CaCoO3 , SrTiO3 , ZnO, SiGe, Mg2Si , FeSi2 , Ba8Si46 , At least one selected from the group consisting of MnSi 1.73 , ZnSb, Zn 4 Sb 3 , GeFe 3 CoSb 12 , and LaFe 3 CoSb 12 can be used. At this time, impurities may be added to the inorganic thermoelectric material to control its polarity (p-type, n-type) and conductivity. When using an inorganic thermoelectric material, the amount used is adjusted within a range that does not affect film formability or film strength.

熱電変換用分散液の製造方法は、本発明の条件を満たす熱電変換用分散液が得られれば特に限定されず、適宜選択することができる。例えば、熱電変換材料と分散媒と必要に応じてその他成分とを混合した後、分散機や超音波を用いて分散することで得られる。 The method for producing a thermoelectric conversion dispersion liquid is not particularly limited as long as a thermoelectric conversion dispersion liquid that satisfies the conditions of the present invention is obtained, and can be appropriately selected. For example, it can be obtained by mixing a thermoelectric conversion material, a dispersion medium, and other components as necessary, and then dispersing the mixture using a disperser or ultrasonic waves.

分散機としては特に制限はなく、例えば、ニーダー、アトライター、ボールミル、ガラスビーズやジルコニアビーズ等を使用したサンドミル、スキャンデックス、アイガーミル、ペイントコンディショナー、ペイントシェイカー等のメディア分散機、コロイドミル等を使用することができる。 There are no particular restrictions on the dispersion machine; for example, kneaders, attritors, ball mills, sand mills using glass beads or zirconia beads, media dispersion machines such as Scandex, Eiger mills, paint conditioners, paint shakers, colloid mills, etc. can be used. can do.

<熱電変換素子>
本発明の熱電変換素子は、上記熱電変換材料を用いて構成されることを特徴とする。一実施形態において、熱電変換素子は、上記熱電変換材料を用いて形成された熱電変換膜と、電極とを有し、上記熱電変換膜及び上記電極は互いに電気的に接続されている。熱電変換膜は、導電性及び熱電特性に加えて、耐熱性及び可撓性の点でも優れる。そのため、本実施形態によれば、高品質な熱電変換素子を容易に実現することができる。
<Thermoelectric conversion element>
The thermoelectric conversion element of the present invention is characterized in that it is constructed using the above thermoelectric conversion material. In one embodiment, the thermoelectric conversion element includes a thermoelectric conversion film formed using the thermoelectric conversion material and an electrode, and the thermoelectric conversion film and the electrode are electrically connected to each other. Thermoelectric conversion films have excellent heat resistance and flexibility in addition to conductivity and thermoelectric properties. Therefore, according to this embodiment, a high-quality thermoelectric conversion element can be easily realized.

熱電変換膜は、基材上に熱電変換材料を塗布して得られる膜であってよい。熱電変換材料は優れた成形性を有するため、塗布法によって良好な膜を得ることが容易である。熱電変換膜の形成には、主に湿式製膜法が用いられる。具体的には、スピンコート法、スプレー法、ローラーコート法、グラビアコート法、ダイコート法、コンマコート法、ロールコート法、カーテンコート法、バーコート法、インクジェット法、ディスペンサー法、シルクスクリーン印刷、フレキソ印刷等の各種手段を用いた方法が挙げられる。塗布する厚み、及び材料の粘度等に応じて、上記方法から適宜選択することができる。 The thermoelectric conversion film may be a film obtained by applying a thermoelectric conversion material onto a base material. Since the thermoelectric conversion material has excellent moldability, it is easy to obtain a good film by a coating method. A wet film forming method is mainly used to form a thermoelectric conversion film. Specifically, spin coat method, spray method, roller coat method, gravure coat method, die coat method, comma coat method, roll coat method, curtain coat method, bar coat method, inkjet method, dispenser method, silk screen printing, flexographic method. Examples include methods using various means such as printing. The method can be appropriately selected from the above methods depending on the thickness to be applied, the viscosity of the material, etc.

熱電変換膜の膜厚は、特に限定されるものではないが、後述するように、熱電変換膜の厚さ方向又は面方向に温度差を生じ、かつ伝達できるように、一定以上の厚みを有するように形成されることが好ましい。一実施形態において、熱電特性の点から、熱電変換膜の膜厚は、0.1~200μmの範囲が好ましく、1~100μmの範囲が好ましく、1~50μmの範囲がさらに好ましい。 The thickness of the thermoelectric conversion film is not particularly limited, but as described later, it has a thickness of at least a certain level so that a temperature difference can be generated and transmitted in the thickness direction or surface direction of the thermoelectric conversion film. It is preferable that it be formed as follows. In one embodiment, from the viewpoint of thermoelectric properties, the thickness of the thermoelectric conversion film is preferably in the range of 0.1 to 200 μm, preferably in the range of 1 to 100 μm, and more preferably in the range of 1 to 50 μm.

また、熱電変換材料を塗布する基材として、ポリエチレン、ポリエチレンテレフテレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、ポリイミド、ボリカーボネート、及びセルローストリアセテート等の材料からなるプラスチックフィルム、又はガラス等を用いることができる。 In addition, as a base material to which the thermoelectric conversion material is applied, a plastic film made of materials such as polyethylene, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyether sulfone, polypropylene, polyimide, polycarbonate, and cellulose triacetate, or glass, etc. Can be used.

基材と熱電変換膜との密着性を向上させる目的で、基材表面に様々な処理を行うことができる。具体的には、熱電変換材料の塗布に先立ち、UVオゾン処理、コロナ処理、プラズマ処理、又は易接着処理を行ってもよい。 Various treatments can be performed on the surface of the base material for the purpose of improving the adhesion between the base material and the thermoelectric conversion film. Specifically, prior to applying the thermoelectric conversion material, UV ozone treatment, corona treatment, plasma treatment, or adhesion promoting treatment may be performed.

本発明の実施形態である熱電変換素子は、上記熱電変換材料を用いて構成されることを除き、当技術分野で周知の技術を適用して構成することができる。代表的に、熱電変換素子のより具体的な構成、及びその製造方法について説明する。 The thermoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention can be constructed by applying techniques well known in the art, except that it is constructed using the thermoelectric conversion material described above. Typically, a more specific configuration of the thermoelectric conversion element and its manufacturing method will be described.

一実施形態において、熱電変換素子は、熱電変換材料を用いて得た熱電変換膜と、この熱電変換膜と電極的に接続する一対の電極とを有する。ここで、「電気的に接続する」とは、互いに接合しているか、又はワイヤー等の他の構成部材を介して通電できる状態であることを意味する。 In one embodiment, the thermoelectric conversion element includes a thermoelectric conversion film obtained using a thermoelectric conversion material, and a pair of electrodes that are electrically connected to the thermoelectric conversion film. Here, "electrically connected" means that they are connected to each other or that they are in a state where electricity can be passed through other constituent members such as wires.

電極の材料は、金属、合金、及び半導体から選択することができる。一実施形態において、導電率が高いこと、熱電変換膜を構成する本発明による熱電変換材料との接触抵抗が低いことから、金属及び合金が好ましい。具体例として、電極は、金、銀、銅、及びアルミニウムからなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。電極は、銀を含むことがさらに好ましい。 The material of the electrode can be selected from metals, alloys, and semiconductors. In one embodiment, metals and alloys are preferred because they have high electrical conductivity and low contact resistance with the thermoelectric conversion material according to the present invention constituting the thermoelectric conversion film. As a specific example, the electrode preferably contains at least one member selected from the group consisting of gold, silver, copper, and aluminum. More preferably, the electrode contains silver.

電極は、真空蒸着法、電極材料箔や電極材料膜を有するフィルムの熱圧着、電極材料の微粒子を分散したペーストの塗布、等の方法によって形成することができる。プロセスが簡便な観点で、電極材料箔や電極材料膜を有するフィルムの熱圧着、電極材料を分散したペーストの塗布による方法が好ましい。 The electrode can be formed by a method such as a vacuum evaporation method, thermocompression bonding of an electrode material foil or a film having an electrode material film, or application of a paste in which fine particles of the electrode material are dispersed. From the viewpoint of a simple process, a method using thermocompression bonding of an electrode material foil or a film having an electrode material film, or a method using a paste in which the electrode material is dispersed is preferable.

熱電変換素子の構造の具体例は、熱電変換膜と一対の電極との位置関係から、(1)本発明による熱電変換膜の両端に電極が形成されている構造、(2)本発明の熱電変換膜が2つの電極で挟持されている構造に大別される。
例えば、上記(1)の構造を有する熱電変換素子は、基材上に熱電変換膜を形成した後に、その両端にそれぞれ銀ペーストを塗布して第1及び第2の電極を形成することによって得ることができる。このように熱電変換膜の両端に電極が形成された熱電変換素子は、2つの電極間の距離を広くすることが容易である。そのため、2つの電極間で大きな温度差を発生させて、効率良く熱電変換を行うことが容易である。
Specific examples of the structure of the thermoelectric conversion element include (1) a structure in which electrodes are formed at both ends of the thermoelectric conversion film according to the present invention, and (2) a structure in which electrodes are formed at both ends of the thermoelectric conversion film according to the present invention, based on the positional relationship between the thermoelectric conversion film and a pair of electrodes. It is roughly divided into a structure in which a conversion membrane is sandwiched between two electrodes.
For example, a thermoelectric conversion element having the structure (1) above can be obtained by forming a thermoelectric conversion film on a base material and then applying silver paste to both ends of the film to form first and second electrodes. be able to. In the thermoelectric conversion element in which electrodes are formed at both ends of the thermoelectric conversion film in this way, it is easy to increase the distance between the two electrodes. Therefore, it is easy to generate a large temperature difference between the two electrodes and perform thermoelectric conversion efficiently.

上記(2)の構造を有する熱電変換素子は、例えば、基材上に銀ペーストを塗布して第1の電極を形成し、その上に本発明の熱電変換膜を形成し、さらにその上に銀ペーストを塗工して第2の電極を形成することによって得ることができる。このように2つの電極で本発明の熱電変換膜を挟持する熱電変換素子では、二つの電極間の距離を広くすることは難しい。そのため、2つの電極間に大きな温度差を発生させることは難しいが、熱電変換膜の膜厚を大きくすることによって、温度差を大きくすることが可能である。また、このような構造を有する熱電変換素子は、基材に対して垂直な方向の温度差を利用できることから、発熱体に貼り付ける形態での利用が可能である。そのため、熱源の広い面積の活用が容易となる点で好ましい。 The thermoelectric conversion element having the structure (2) above can be produced, for example, by applying silver paste onto a base material to form a first electrode, forming the thermoelectric conversion film of the present invention on top of that, and then forming a first electrode on top of the first electrode. It can be obtained by coating a silver paste to form the second electrode. In the thermoelectric conversion element in which the thermoelectric conversion film of the present invention is sandwiched between two electrodes as described above, it is difficult to increase the distance between the two electrodes. Therefore, it is difficult to generate a large temperature difference between the two electrodes, but it is possible to increase the temperature difference by increasing the thickness of the thermoelectric conversion film. Further, since the thermoelectric conversion element having such a structure can utilize the temperature difference in the direction perpendicular to the base material, it can be used in a form where it is attached to a heating element. Therefore, it is preferable in that a large area of the heat source can be easily utilized.

熱電変換素子は、直列に接続することで高い電圧を発生させることが可能であり、並列に接続することで大きな電流を発生させることが可能である。また、熱電変換素子は、2つ以上の熱電変換素子を接続したものであってもよい。本発明によれば、熱電変換素子が優れた可撓性を有するため、平面ではない形状を有する熱源に対しても追随して良好に設置することが可能である。 Thermoelectric conversion elements can generate a high voltage by connecting them in series, and can generate a large current by connecting them in parallel. Moreover, the thermoelectric conversion element may be one in which two or more thermoelectric conversion elements are connected. According to the present invention, since the thermoelectric conversion element has excellent flexibility, it is possible to follow and suitably install a heat source having a non-planar shape.

一実施形態において、本発明の熱電変換素子を他の熱電材料から成る熱電変換素子と組み合わせることも有効である。例えば、無機熱電材料として、Bi-(Te、Se)系、Si-Ge系、Mg-Si系、Pb-Te系、GeTe-AgSbTe系、(Co、Ir、Ru)-Sb系、(Ca、Sr、Bi)Co25系等を挙げることができ、具体的には、Bi2Te3、PbTe、AgSbTe2、GeTe、Sb2Te3、NaCo24、CaCoO3、SrTiO3、ZnO、SiGe、Mg2Si、FeSi2、Ba8Si46、MnSi1.73、ZnSb、Zn4Sb3、GeFe3CoSb12、及びLaFe3CoSb12などからなる群から選択される少なくとも1種を使用することができる。このとき、上記無機熱電材料に、不純物を加えて、極性(p型、n型)や導電率を制御して利用しても良い。その他、有機熱電材料として、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレン、フラーレン、及びそれらの誘導体からなる群から選択される少なく1種を使用することができる。これら材料から構成される他の熱電変化素子を組合せる場合、素子のフレキシブル性を損なわない範囲内で、他の熱電変換素子を作製することが好ましい。 In one embodiment, it is also effective to combine the thermoelectric conversion element of the present invention with a thermoelectric conversion element made of another thermoelectric material. For example, as inorganic thermoelectric materials, Bi-(Te, Se) based, Si-Ge based, Mg-Si based, Pb-Te based, GeTe-AgSbTe based, (Co, Ir, Ru)-Sb based, (Ca, Sr, Bi)Co 2 O 5 type, etc. can be mentioned, and specifically, Bi 2 Te 3 , PbTe, AgSbTe 2 , GeTe, Sb 2 Te 3 , NaCo 2 O 4 , CaCoO 3 , SrTiO 3 , ZnO , SiGe, Mg 2 Si, FeSi 2 , Ba 8 Si 46 , MnSi 1.73 , ZnSb, Zn 4 Sb 3 , GeFe 3 CoSb 12 , LaFe 3 CoSb 12 and the like. I can do it. At this time, impurities may be added to the inorganic thermoelectric material to control its polarity (p-type, n-type) and conductivity. In addition, at least one selected from the group consisting of polythiophene, polyaniline, polyacetylene, fullerene, and derivatives thereof can be used as the organic thermoelectric material. When combining other thermoelectric conversion elements made of these materials, it is preferable to manufacture the other thermoelectric conversion elements within a range that does not impair the flexibility of the element.

複数の熱電変換素子を接続する場合、1つの基材に集積した状態で接続して利用することもできる。このような実施形態において、本発明による熱電変換素子と、n型としての極性を示す熱電材料から成る熱電変換素子との組合せが好ましく、これらを直列に接続することがより好ましい。本実施形態によれば、熱電変換素子を緻密に集積することが容易となる。 When connecting a plurality of thermoelectric conversion elements, they can also be connected and used in a state where they are integrated on one base material. In such an embodiment, a combination of the thermoelectric conversion element according to the present invention and a thermoelectric conversion element made of a thermoelectric material exhibiting n-type polarity is preferable, and it is more preferable to connect these in series. According to this embodiment, it becomes easy to precisely integrate thermoelectric conversion elements.

以下、実験例により、本発明をより具体的に説明する。なお、例中、「部」とあるのは「質量部」を、「%」とあるのは「質量%」をそれぞれ意味するものとする。また、「NMP」とはN-メチルピロリドンを示す。 Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to experimental examples. In addition, in the examples, "part" means "part by mass" and "%" means "% by mass", respectively. Furthermore, "NMP" refers to N-methylpyrrolidone.

<質量平均分子量(Mw)の測定方法>
Mwの測定は、装置として東ソー社製GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)「HPC-8020」を用いた。カラムに「LF-604」(昭和電工社製:迅速分析用GPCカラム:6mmID×150mmサイズ)を直列に2本接続し、流量0.6ml/分、カラム温度40℃の条件で行い、外部標準物質として分子量既知のポリスチレンによりMwを決定した。
<Method for measuring mass average molecular weight (Mw)>
For the measurement of Mw, a GPC (gel permeation chromatography) "HPC-8020" manufactured by Tosoh Corporation was used as an apparatus. Two "LF-604" columns (manufactured by Showa Denko Co., Ltd.: GPC column for rapid analysis: 6 mm ID x 150 mm size) were connected in series, the flow rate was 0.6 ml/min, and the column temperature was 40°C. Mw was determined using polystyrene of known molecular weight as a substance.

<HOMO値、フェルミ準位の測定方法>
導電材料(A)及び有機高分子化合物(B)のHOMO準位(又は、導電材料が金属である場合はフェルミ準位)の測定は、単一の各成分をITOガラス基板上に張った導電テープの上に固着させ、測定サンプルとした後、光電子分光法(測定装置:理研計器社製AC-3)により測定した。測定値は表9に記載した。
<Measurement method of HOMO value and Fermi level>
Measurement of the HOMO level (or Fermi level if the conductive material is metal) of the conductive material (A) and the organic polymer compound (B) is carried out using a single conductive material with each component stretched on an ITO glass substrate. After fixing it on a tape to prepare a measurement sample, it was measured by photoelectron spectroscopy (measurement device: AC-3 manufactured by Riken Keiki Co., Ltd.). The measured values are listed in Table 9.

<有機高分子化合物(B)の合成>
(合成例1:有機高分子化合物(B))
反応(1):コハク酸ジメチル125mmol(18.27g)、ベンゾニトリル312.5mmol(32.23g)、水素化ナトリウム312.5mmol(12.49g)をアミルアルコール300gに溶解し、8時間還流させた 。冷却した後、沈殿物をろ過し、酢酸、メタノールで洗浄することにより、赤褐色固体の中間体ピロロピロール18.21g得た。
反応(2):得られた中間体ピロロピロール50mmol(14.42g)、1,4-ジブロモブタン50mmol(10.8g)、tert-ブトキシナトリウム200mmol(19.22g)をジメチルアセトアミド150gに溶解し、8時間還流させた。放冷後、上記混合物をメタノール1000mlに入れ、固体を析出させ、ろ集し、合成例に示す構造を有するMw187000の有機高分子化合物(B)9.58gを得た。
<Synthesis of organic polymer compound (B)>
(Synthesis Example 1: Organic polymer compound (B))
Reaction (1): 125 mmol (18.27 g) of dimethyl succinate, 312.5 mmol (32.23 g) of benzonitrile, and 312.5 mmol (12.49 g) of sodium hydride were dissolved in 300 g of amyl alcohol and refluxed for 8 hours. . After cooling, the precipitate was filtered and washed with acetic acid and methanol to obtain 18.21 g of intermediate pyrrolopyrrole as a reddish brown solid.
Reaction (2): 50 mmol (14.42 g) of the obtained intermediate pyrrolopyrrole, 50 mmol (10.8 g) of 1,4-dibromobutane, and 200 mmol (19.22 g) of sodium tert-butoxide were dissolved in 150 g of dimethylacetamide. It was refluxed for 8 hours. After cooling, the above mixture was poured into 1000 ml of methanol to precipitate a solid, which was collected by filtration to obtain 9.58 g of an organic polymer compound (B) having a structure shown in the synthesis example and having an Mw of 187,000.

(合成例2~19)
合成例1において使用したベンゾニトリルおよび1,4-ジブロモブタンを、表1~4に示す原料にそれぞれ変更した以外は、合成例1と同様の方法によって、それぞれ合成例2~19に示す有機高分子化合物(B)を合成した。尚、原料の配合比は、合成例1と同じモル比とした。尚、表中、「n」は一般式(1)に相当する繰り返し単位の数を表し、「Oc」はオクチル基を表す。
(Synthesis examples 2 to 19)
The organic polymers shown in Synthesis Examples 2 to 19 were prepared in the same manner as in Synthesis Example 1, except that the benzonitrile and 1,4-dibromobutane used in Synthesis Example 1 were changed to the raw materials shown in Tables 1 to 4. Molecular compound (B) was synthesized. The blending ratio of the raw materials was the same molar ratio as in Synthesis Example 1. In addition, in the table, "n" represents the number of repeating units corresponding to general formula (1), and "Oc" represents an octyl group.

(合成例20:有機高分子化合物(B))
合成例1の有機高分子化合物(B)10g、ローソン試薬60gをキシレン200gに加え、120℃で8時間加熱した。反応液を減圧乾燥し、得られた固体をシリカゲルカラムで精製することにより、合成例20の有機高分子化合物(B)を4.32g得た。
(Synthesis Example 20: Organic polymer compound (B))
10 g of the organic polymer compound (B) of Synthesis Example 1 and 60 g of Lawson's reagent were added to 200 g of xylene and heated at 120° C. for 8 hours. The reaction solution was dried under reduced pressure, and the obtained solid was purified using a silica gel column to obtain 4.32 g of organic polymer compound (B) of Synthesis Example 20.

(合成例21~38)
合成例20において使用した合成例1の有機高分子化合物(B)を、合成例2~19の有機高分子化合物(B)にそれぞれ変更した以外は、合成例20と同様の方法によって、それぞれ合成例21~38に示す有機高分子化合物(B)を合成した。尚、原料の配合比は、合成例20と同じ質量比とした。
(Synthesis Examples 21 to 38)
Each was synthesized by the same method as Synthesis Example 20, except that the organic polymer compound (B) of Synthesis Example 1 used in Synthesis Example 20 was changed to the organic polymer compound (B) of Synthesis Examples 2 to 19. Organic polymer compounds (B) shown in Examples 21 to 38 were synthesized. The blending ratio of the raw materials was the same mass ratio as in Synthesis Example 20.

(合成例39:有機高分子化合物(B))
合成例1の有機高分子化合物(B)10g、マロノニトリル5g、酸化アルミニウム30gをクロロホルム200gに加え、4時間撹拌した。反応液を減圧乾燥し、得られた固体をシリカゲルカラムで精製することにより、合成例39の有機高分子化合物(B)を6.31g得た。
(Synthesis Example 39: Organic polymer compound (B))
10 g of the organic polymer compound (B) of Synthesis Example 1, 5 g of malononitrile, and 30 g of aluminum oxide were added to 200 g of chloroform and stirred for 4 hours. The reaction solution was dried under reduced pressure and the obtained solid was purified using a silica gel column to obtain 6.31 g of organic polymer compound (B) of Synthesis Example 39.

(合成例40~57)
合成例39において使用した合成例1の有機高分子化合物(B)を、合成例2~19の有機高分子化合物(B)にそれぞれ変更した以外は、合成例39と同様の方法によって、それぞれ合成例40~57に示す有機高分子化合物(B)を合成した。尚、原料の配合比は、合成例39と同じ質量比とした。
(Synthesis Examples 40 to 57)
Each was synthesized by the same method as Synthesis Example 39, except that the organic polymer compound (B) of Synthesis Example 1 used in Synthesis Example 39 was changed to the organic polymer compound (B) of Synthesis Examples 2 to 19. Organic polymer compounds (B) shown in Examples 40 to 57 were synthesized. The blending ratio of the raw materials was the same mass ratio as in Synthesis Example 39.

(合成例58:有機高分子化合物(B))
合成例1において使用した反応(2):1,4-ジブロモブタン50mmol(10.8g)を、1,4-ジブロモブタン50mmol(10.8g)とヨードメタン0.16mmol(23.6mg)に変更した以外は、合成例1と同様の方法によって、合成例1に示す構造を有するMw151000の有機高分子化合物(B)を合成した。
(Synthesis Example 58: Organic polymer compound (B))
Reaction (2) used in Synthesis Example 1: 50 mmol (10.8 g) of 1,4-dibromobutane was changed to 50 mmol (10.8 g) of 1,4-dibromobutane and 0.16 mmol (23.6 mg) of iodomethane. Except for this, an organic polymer compound (B) having the structure shown in Synthesis Example 1 and having an Mw of 151,000 was synthesized by the same method as in Synthesis Example 1.

(合成例59:有機高分子化合物(B))
合成例1において使用した反応(2):1,4-ジブロモブタン50mmol(10.8g)を、1,4-ジブロモブタン50mmol(10.8g)とヨードメタン0.25mmol(35.5mg)に変更した以外は、合成例1と同様の方法によって、合成例1に示す構造を有するMw125000の有機高分子化合物(B)を合成した。
(Synthesis Example 59: Organic polymer compound (B))
Reaction (2) used in Synthesis Example 1: 50 mmol (10.8 g) of 1,4-dibromobutane was changed to 50 mmol (10.8 g) of 1,4-dibromobutane and 0.25 mmol (35.5 mg) of iodomethane. Except for this, an organic polymer compound (B) having the structure shown in Synthesis Example 1 and having an Mw of 125,000 was synthesized by the same method as in Synthesis Example 1.

(合成例60:有機高分子化合物(B))
合成例1において使用した反応(2):1,4-ジブロモブタン50mmol(10.8g)を、1,4-ジブロモブタン50mmol(10.8g)とヨードメタン0.33mmol(47.3mg)に変更した以外は、合成例1と同様の方法によって、合成例1に示す構造を有するMw89000の有機高分子化合物(B)を合成した。
(Synthesis Example 60: Organic polymer compound (B))
Reaction (2) used in Synthesis Example 1: 50 mmol (10.8 g) of 1,4-dibromobutane was changed to 50 mmol (10.8 g) of 1,4-dibromobutane and 0.33 mmol (47.3 mg) of iodomethane. Except for this, an organic polymer compound (B) having the structure shown in Synthesis Example 1 and having an Mw of 89,000 was synthesized by the same method as in Synthesis Example 1.

(合成例61:有機高分子化合物(B))
合成例1において使用した反応(2):1,4-ジブロモブタン50mmol(10.8g)を、1,4-ジブロモブタン50mmol(10.8g)とヨードメタン2.0mmol(283.9mg)に変更した以外は、合成例1と同様の方法によって、合成例1に示す構造を有するMw21000の有機高分子化合物(B)を合成した。
(Synthesis Example 61: Organic polymer compound (B))
Reaction (2) used in Synthesis Example 1: 50 mmol (10.8 g) of 1,4-dibromobutane was changed to 50 mmol (10.8 g) of 1,4-dibromobutane and 2.0 mmol (283.9 mg) of iodomethane. Except for this, an organic polymer compound (B) having the structure shown in Synthesis Example 1 and having an Mw of 21,000 was synthesized by the same method as in Synthesis Example 1.

(合成例62)
国際公開第2015/050113号の段落0074及び0075を参考にして、質量平均分子量(Mw)が約21,000の下記構造で表される側鎖にペリレンカルボジイミド骨格を導入したアクリルポリマーを得た。
(Synthesis example 62)
With reference to paragraphs 0074 and 0075 of International Publication No. 2015/050113, an acrylic polymer in which a perylene carbodiimide skeleton was introduced into the side chain having a mass average molecular weight (Mw) of about 21,000 and represented by the following structure was obtained.

Figure 0007400396000002
Figure 0007400396000002

<熱電変換材料の製造>
[実施例1]
(熱電変換材料の分散液1)
TUBALL(楠本化成社製単層カーボンナノチューブ)0.4部、合成例1の有機高分子化合物0.4部、NMP79.2部をそれぞれ秤量して混合した。更にジルコニアビーズ(φ1.25mm)を140部加え、スキャンデックスで2時間振とう後、ろ過してジルコニアビーズを取り除き、熱電変換材料の分散液1を得た。
<Manufacture of thermoelectric conversion materials>
[Example 1]
(Thermoelectric conversion material dispersion 1)
0.4 parts of TUBALL (single-walled carbon nanotubes manufactured by Kusumoto Kasei Co., Ltd.), 0.4 parts of the organic polymer compound of Synthesis Example 1, and 79.2 parts of NMP were each weighed and mixed. Furthermore, 140 parts of zirconia beads (φ1.25 mm) were added, and after shaking with Scandex for 2 hours, the zirconia beads were removed by filtration to obtain dispersion liquid 1 of thermoelectric conversion material.

.
[実施例2~68および比較例1~2]
(分散液2~70)
分散液を構成する材料の種類と配合量を表9に示す材料に変更した以外は、分散液1と同様にして、熱電変換材料の分散液2~70をそれぞれ得た。
.
[Examples 2 to 68 and Comparative Examples 1 to 2]
(Dispersion 2-70)
Dispersions 2 to 70 of thermoelectric conversion materials were obtained in the same manner as Dispersion 1, except that the types and amounts of materials constituting the dispersions were changed to those shown in Table 9.

<熱電変換材料の評価>
得られた分散液1~70、シート状基材である厚さ50μmのポリイミドフィルム上にアプリケータを用いて塗布した後、130℃で30分間加熱乾燥して、ポリイミドフィルム上に、膜厚5μmの熱電変換膜を有する積層体を得た。
得られた熱電変換膜(以下、塗膜ともいう)を有する積層体について、以下のとおり導電性、ゼーベック係数、パワーファクター(PF)、及び屈曲耐性を評価した。結果を表9に示す。
<Evaluation of thermoelectric conversion materials>
The obtained dispersions 1 to 70 were applied onto a polyimide film with a thickness of 50 μm as a sheet-like base material using an applicator, and then heated and dried at 130° C. for 30 minutes to form a film with a thickness of 5 μm on the polyimide film. A laminate having a thermoelectric conversion film was obtained.
The conductivity, Seebeck coefficient, power factor (PF), and bending resistance of the obtained laminate having the thermoelectric conversion film (hereinafter also referred to as coating film) were evaluated as follows. The results are shown in Table 9.

(導電率)
得られた積層体を2.5cm×5cmに切り取り、JIS-K7194に準じて、ロレスタGX MCP-T700(三菱化学アナリテック社製)を用いて4端子法で導電率を測定した。
(conductivity)
The obtained laminate was cut into a size of 2.5 cm x 5 cm, and its conductivity was measured using a four-probe method using Loresta GX MCP-T700 (manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech) in accordance with JIS-K7194.

(ゼーベック係数)
得られた積層体を3mm×10mmに切り取り、アドバンス理工株式会社製のZEM-3LWを用いて、80℃におけるゼーベック係数(μW/K)を測定した。
(Seebeck coefficient)
The obtained laminate was cut into a size of 3 mm x 10 mm, and the Seebeck coefficient (μW/K) at 80° C. was measured using ZEM-3LW manufactured by Advance Riko Co., Ltd.

(パワーファクター(PF))
得られた導電率及びゼーベック係数を用いて、80℃におけるPF(=S2・σ)を算出し、以下の基準に従って評価した。
◎:PFが20μW/(mK2)以上である(非常に良好)
○:PFが10μW/(mK2)以上、20μW/(mK2)未満である(良好)
△:PFが2.5μW/(mK2)以上、10μW/(mK2)未満である(実用可能)
×:PFが2.5μW/(mK2)未満である(実用不可)
(Power factor (PF))
Using the obtained conductivity and Seebeck coefficient, PF (=S 2 ·σ) at 80° C. was calculated and evaluated according to the following criteria.
◎: PF is 20 μW/(mK 2 ) or more (very good)
○: PF is 10 μW/(mK 2 ) or more and less than 20 μW/(mK 2 ) (good)
△: PF is 2.5 μW/(mK 2 ) or more and less than 10 μW/(mK 2 ) (practical)
×: PF is less than 2.5 μW/(mK 2 ) (not practical)

<屈曲性試験>
熱電変換材料の塗膜の強度、プロセス適正を評価するため屈曲性試験を実施した。折り曲げ前後での導電率を評価することで、折り曲げによる剥がれや割れ、導電材料(A)と有機高分子化合物(B)との吸着状態の変化などへの耐性に関する材料の強度を評価することができる。
屈曲性試験は、耐屈曲性試験器(コーティングテスター社製、円筒型マンドレル法)で直径20mmの心棒を用いて行った。ポリイミドフィルムが下側になるように装置にセットし、1回/10秒の速度で5回折り曲げを行った。導電パターン部分の試験前と5回折り曲げ後の積層体の導電率を測定し、その変化率を算出した。変化率は下記の計算式で行った。
変化率=(折り曲げ前の導電率-折り曲げ後の導電率)/折り曲げ前の導電率×100
・評価基準
◎:変化率が10%未満(優れている)
○:変化率が10%以上20%未満(良好)
△:変化率が20%以上25%未満(実用上問題ない)
×:変化率が25%以上(実用不可)
<Flexibility test>
Flexibility tests were conducted to evaluate the strength and process suitability of the coating film of thermoelectric conversion materials. By evaluating the conductivity before and after bending, it is possible to evaluate the strength of the material in terms of resistance to peeling and cracking due to bending, changes in the adsorption state of the conductive material (A) and the organic polymer compound (B), etc. can.
The bendability test was conducted using a bendability tester (manufactured by Coating Tester Co., Ltd., cylindrical mandrel method) using a mandrel with a diameter of 20 mm. The polyimide film was set in the apparatus so as to face downward, and the film was bent 5 times at a rate of 1 time/10 seconds. The conductivity of the laminate before the test of the conductive pattern portion and after being bent five times was measured, and the rate of change was calculated. The rate of change was calculated using the following formula.
Rate of change = (Conductivity before bending - Conductivity after bending) / Conductivity before bending x 100
・Evaluation criteria ◎: Change rate less than 10% (excellent)
○: Rate of change is 10% or more and less than 20% (good)
△: Rate of change is 20% or more and less than 25% (no problem in practice)
×: Rate of change is 25% or more (not practical)

表1の略語は以下のとおりである。
SWCNT:ОCSiAl社製単層カーボンナノチューブ「TUBALL」
GNP:XGSciences社製グラフェンナノプレートレット「xGNP-M-5」
KB:ライオン社製 ケッチェンブラック 「EC-300J」
黒鉛:日本黒鉛社製 黒鉛「CPB」
MWCNT:Knano社製 多層カーボンナノチューブ「100P」
PEDOT/PSS:Heraeus社製 「Clevios PH1000」
The abbreviations in Table 1 are as follows.
SWCNT: Single-walled carbon nanotube “TUBALL” manufactured by OCSiAl
GNP: Graphene nanoplatelet “xGNP-M-5” manufactured by XG Sciences
KB: Lion Corporation Ketjen Black “EC-300J”
Graphite: Graphite "CPB" manufactured by Nippon Graphite Co., Ltd.
MWCNT: Multi-walled carbon nanotube “100P” manufactured by Knano
PEDOT/PSS: “Clevios PH1000” manufactured by Heraeus

表9が示すように、本発明の熱電変換素子は、比較例1、2に比べて優れた熱電特性と優れた屈曲性を示し、熱電変換素子として優れたプロセス適性を有していることが示された。 As shown in Table 9, the thermoelectric conversion element of the present invention exhibits superior thermoelectric properties and excellent flexibility compared to Comparative Examples 1 and 2, and has excellent process suitability as a thermoelectric conversion element. Shown.

<熱電変換素子の製造>
[実施例]
(熱電変換素子1)
50μmのポリイミドフィルム上に、実施例1で調製した熱電変換材料の分散液1を塗布し、5mm×30mmの形状を有する熱電変換膜を、それぞれ10mm間隔に5つ作製した(図1の符号2を参照)。次いで、各熱電変換膜がそれぞれ直列に接続されるように、銀ペーストを用いて、5mm×33mmの形状を有する銀回路を4つ作製し(図1の符号3を参照)、熱電変換素子1を得た。上記銀ペーストとしては、トーヨーケム株式会社製のREXALPHA RA FS 074を使用した。
<Manufacture of thermoelectric conversion elements>
[Example]
(Thermoelectric conversion element 1)
Dispersion 1 of the thermoelectric conversion material prepared in Example 1 was applied onto a 50 μm polyimide film to produce five thermoelectric conversion films each having a shape of 5 mm x 30 mm, spaced apart by 10 mm (reference numeral 2 in FIG. 1). ). Next, four silver circuits each having a shape of 5 mm x 33 mm were fabricated using silver paste so that each thermoelectric conversion film was connected in series (see reference numeral 3 in FIG. 1), and the thermoelectric conversion element 1 I got it. As the silver paste, REXALPHA RA FS 074 manufactured by Toyochem Co., Ltd. was used.

[実施例69~実施例136、比較例3~4]
(熱電変換素子2~70)
熱電変換素子1で使用した熱電変換材料の分散液を表10に示す分散液に変更した以外は、熱電変換素子1と同様にして、熱電変換素子2~70を得た。
[Example 69 to Example 136, Comparative Examples 3 to 4]
(Thermoelectric conversion elements 2 to 70)
Thermoelectric conversion elements 2 to 70 were obtained in the same manner as thermoelectric conversion element 1, except that the dispersion of the thermoelectric conversion material used in thermoelectric conversion element 1 was changed to the dispersion shown in Table 10.

<熱電変換素子の評価>
得られた熱電変換素子について、以下のようにして起電力を評価した。結果を表2に示す。
<Evaluation of thermoelectric conversion element>
The electromotive force of the obtained thermoelectric conversion element was evaluated as follows. The results are shown in Table 2.

(起電力の測定)
各熱電変換素子について、熱電変換膜及び銀回路が内側になるように(図2に示すA-A’線に沿うように)折り曲げ、その状態のまま、100℃に加熱したホットプレート上に設置した。なお、折り曲げの程度は、図2のB-B’間の距離が10mmになるようにそれぞれ調整した。上記のように折り曲げたサンプルをホットプレート上に設置して10分後の塗膜間の起電力について電圧計を用いて測定した。測定は、室温下(20℃)で実施した。以下の基準に従い、測定値から熱電特性について評価した。
◎:起電力が1mV以上である(良好)
〇:起電力が500μV以上、1mV未満である(実用可能)
×:起電力が500μV未満である(不良)
(Measurement of electromotive force)
Bend each thermoelectric conversion element so that the thermoelectric conversion film and silver circuit are on the inside (along line AA' shown in Figure 2), and place it in that state on a hot plate heated to 100°C. did. The degree of bending was adjusted so that the distance between BB' in FIG. 2 was 10 mm. The sample bent as described above was placed on a hot plate, and the electromotive force between the coating films was measured using a voltmeter 10 minutes later. The measurements were carried out at room temperature (20°C). The thermoelectric properties were evaluated from the measured values according to the following criteria.
◎: Electromotive force is 1 mV or more (good)
〇: Electromotive force is 500μV or more and less than 1mV (practical possible)
×: Electromotive force is less than 500 μV (defective)

表10に示すように、本発明の熱電変換素子は、比較例3,4に比べて優れた熱電特性を有していた。以上のことから、本願発明の実施形態によれば、ゼーベック係数及び導電性に優れ、高いPFを示す、優れた熱電特性を有する熱電変換材料を実現することができ、高効率の熱電変換素子を実現できることが分かる。 As shown in Table 10, the thermoelectric conversion element of the present invention had superior thermoelectric properties compared to Comparative Examples 3 and 4. From the above, according to the embodiments of the present invention, it is possible to realize a thermoelectric conversion material having excellent Seebeck coefficient and conductivity, and exhibiting a high PF and excellent thermoelectric properties, and a highly efficient thermoelectric conversion element can be realized. I know it can be achieved.

本発明の実施形態である導電性組成物は、導電性及びゼーベック係数を両立し、熱電特性にも優れるため、上記材料を使用して、高性能の熱電変換素子を提供することができる。 Since the conductive composition according to the embodiment of the present invention has both conductivity and Seebeck coefficient, and also has excellent thermoelectric properties, it is possible to provide a high-performance thermoelectric conversion element using the above-mentioned material.

Figure 0007400396000003
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Figure 0007400396000004
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Figure 0007400396000010
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1:基材
2:熱電変換膜
3:回路
10:熱電変換素子の試験サンプル
20:ホットプレート
1: Base material 2: Thermoelectric conversion film 3: Circuit 10: Thermoelectric conversion element test sample 20: Hot plate

Claims (4)

炭素材料、金属材料及び導電性高分子からなる群から選ばれる少なくとも1種の導電材料(A)並びに有機高分子化合物(B)を含有し、
前記有機高分子化合物(B)は、非共役高分子であり、ピロロピロール骨格を有する単量体の繰り返し単位を有し、質量平均分子量が10,000~200,000であり、
前記ピロロピロール骨格を有する単量体の繰り返し単位が、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を有する、熱電変換材料。(但し、前記導電材料(A)は、前記有機高分子化合物(B)を除く)
一般式(1)
[一般式(1)中、Xは、アルキレン基、オキシアルキレン基、チオアルキレン基およびこれらの基同士が結合した基からなる群より選ばれる2価の連結基を表し、Y 1 およびY 2 は、それぞれ独立に、酸素原子、硫黄原子、又はジシアノメチレン基を表し、R 1 および
2 は、それぞれ独立に、置換もしくは未置換のアリール基、又は置換もしくは未置換の
複素環基を表す。]
Containing at least one conductive material (A) selected from the group consisting of carbon materials, metal materials, and conductive polymers and an organic polymer compound (B),
The organic polymer compound (B) is a non-conjugated polymer, has a repeating unit of a monomer having a pyrrolopyrrole skeleton, and has a mass average molecular weight of 10,000 to 200,000,
A thermoelectric conversion material , wherein the repeating unit of the monomer having a pyrrolopyrrole skeleton has a repeating unit represented by the following general formula (1) . (However, the conductive material (A) excludes the organic polymer compound (B))
General formula (1)
[In general formula (1), X represents a divalent linking group selected from the group consisting of an alkylene group, an oxyalkylene group, a thioalkylene group, and a group in which these groups are bonded together, and Y 1 and Y 2 are , each independently represents an oxygen atom, a sulfur atom, or a dicyanomethylene group, and R 1 and
R 2 is each independently a substituted or unsubstituted aryl group, or a substituted or unsubstituted aryl group, or a substituted or unsubstituted aryl group;
Represents a heterocyclic group. ]
前記導電材料(A)が、カーボンナノチューブ、ケッチェンブラック、グラフェンナノプレート及びグラフェンからなる群から選ばれる少なくとも一種を含む、請求項1に記載の熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to claim 1 , wherein the conductive material (A) contains at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes, Ketjenblack, graphene nanoplates, and graphene. 前記導電材料(A)が、カーボンナノチューブである、請求項に記載の熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to claim 2 , wherein the conductive material (A) is a carbon nanotube. 請求項1~いずれか1項に記載の熱電変換材料からなる熱電変換膜と、電極とを有し、前記熱電変換膜及び前記電極が電気的に接続されている熱電変換素子。 A thermoelectric conversion element comprising a thermoelectric conversion film made of the thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 3 and an electrode, the thermoelectric conversion film and the electrode being electrically connected.
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