JP7459466B2 - Dispersions and coatings for thermoelectric conversion - Google Patents
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Description
本発明は、熱電変換用分散液およびその塗膜に関する。 The present invention relates to a dispersion for thermoelectric conversion and a coating film thereof.
近年、排熱によって生じる温度差を利用し、熱電変換素子により発電を行なう熱電発電が注目されており、自動車、産業機械、電子機器等への適用が進みつつある。熱電変換素子は、素子の両端に生じた温度差をゼーベック効果により電力変換するものである。熱電変換の性能指数は、ゼーベック係数S、導電率σ、熱伝導率κを用いて、Z=S2σκ-1で表される。また、パワーファクターPF(=S2・σ)を用いる場合もある。すなわち、ゼーベック係数S、導電率σが高く、熱伝導率κが低い熱電半導体材料が求められている。 In recent years, thermoelectric power generation, which uses temperature differences caused by waste heat to generate electricity using thermoelectric conversion elements, has been attracting attention, and its application to automobiles, industrial machinery, electronic equipment, etc. is progressing. A thermoelectric conversion element converts a temperature difference generated between both ends of the element into electric power using the Seebeck effect. The figure of merit of thermoelectric conversion is expressed as Z=S2σκ−1 using Seebeck coefficient S, electrical conductivity σ, and thermal conductivity κ. Furthermore, a power factor PF (=S 2 ·σ) may be used. That is, there is a need for a thermoelectric semiconductor material that has a high Seebeck coefficient S, a high electrical conductivity σ, and a low thermal conductivity κ.
非特許文献1に記載されているとおり、ゼーベック係数Sと導電率σは下記式で表される。
S=kB/e(-logn/n0+δ) (式1)
σはσ=Nneμ (式2)
ここで、kBはボルツマン定数、eはネイピア数、nはキャリア密度、n0は最適キャリア密度、δは1程度の大きさの定数、Nはバレーの数、μは移動度である。両者には共通するキャリア密度nが向上すると、導電率σは向上するが、ゼーベック係数Sは低下してしまい、このトレードオフが課題となっている。
As described in Non-Patent Document 1, the Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ are expressed by the following formula.
S=k B /e(−log n/n 0 + δ) (Equation 1)
σ is σ=Nneμ (Equation 2)
Here, kB is the Boltzmann constant, e is the Napier's number, n is the carrier density, n0 is the optimum carrier density, δ is a constant with a magnitude of about 1, N is the number of valleys, and μ is the mobility. When the carrier density n, which is common to both, is increased, the electrical conductivity σ is improved, but the Seebeck coefficient S is reduced, and this trade-off is an issue.
例えば、特許文献1には、導電性高分子の一種であるポリ(2-ブトキシ-5-メトキシ-1,4-フェニレンビニレン)のクロロホルム分散液を製膜し、この膜にヨウ素をドーピングすることにより得られる熱電変換材料及び熱電変換素子が開示されている。しかし、分散液の成膜後にドーパントすることでキャリア密度を向上させているため、導電率は向上しているが、ゼーベック係数が低いという問題点があった。 For example, Patent Document 1 discloses that a film is formed from a chloroform dispersion of poly(2-butoxy-5-methoxy-1,4-phenylenevinylene), which is a type of conductive polymer, and the film is doped with iodine. A thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion element obtained by the method are disclosed. However, since the carrier density is improved by adding a dopant to the dispersion after the film is formed, the electrical conductivity is improved, but there is a problem in that the Seebeck coefficient is low.
本発明が解決しようとする課題は、高いゼーベック係数と高い導電率を両立できる熱電変換素子を形成するための熱電変換用分散液およびその塗膜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 dispersion liquid and a coating film thereof for forming a thermoelectric conversion element that can achieve both a high Seebeck coefficient and high electrical conductivity.
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、熱電変換材料と分散媒とを含んでなる熱電変換用分散液であって、分散液中の不揮発分濃度が0.5質量%である際に、超音波粒度分布計の測定において、20MHzにおける分散液の減衰率をA(/mm)とした時、0.2≦A≦10を満たす熱電変換用分散液に関する。 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 provides a dispersion liquid for thermoelectric conversion comprising a thermoelectric conversion material and a dispersion medium, and when the nonvolatile content concentration in the dispersion liquid is 0.5% by mass, In the measurement, the dispersion for thermoelectric conversion satisfies 0.2≦A≦10, where A (/mm) is the attenuation rate of the dispersion at 20 MHz.
また、本発明は、超音波粒度分布計の測定において、分散液中の不揮発分濃度が0.5質量%である際に、10MHzにおける分散液の減衰率をB(/mm)とした時、2≦A/B≦20を満たす上記熱電変換用分散液に関する。 The present invention also relates to the above-mentioned dispersion for thermoelectric conversion, which satisfies 2≦A/B≦20 when the nonvolatile content in the dispersion is 0.5% by mass in measurement with an ultrasonic particle size distribution analyzer and the attenuation rate of the dispersion at 10 MHz is B (/mm).
また、本発明は、さらに、分散剤を含んでなる上記熱電変換用分散液に関する。 The present invention also relates to the above-mentioned dispersion for thermoelectric conversion, which further contains a dispersant.
また、本発明は、熱電変換材料が、カーボンナノチューブを含んでなる上記熱電変換用インキに関する。 The present invention also relates to the above-mentioned thermoelectric conversion ink, in which the thermoelectric conversion material contains carbon nanotubes.
また、本発明は、上記熱電変換用分散液の塗膜に関する。 The present invention also relates to a coating film of the above dispersion for thermoelectric conversion.
本発明により、高いゼーベック係数と高い導電率を両立できる熱電変換素子を形成するための熱電変換用分散液およびその塗膜を提供することができるようになった。 The present invention makes it possible to provide a thermoelectric conversion dispersion and a coating film thereof for forming a thermoelectric conversion element that can achieve both a high Seebeck coefficient and high electrical conductivity.
以下、本発明を実施するための形態を具体的に説明する。
本発明の熱電変換用分散液は、熱電変換材料と分散媒とを含んでなる熱電変換用分散液であって、分散液中の不揮発分濃度が0.5質量%である際に、超音波粒度分布計の測定において、20MHzにおける分散液の減衰率をA(/mm)とした時、0.2≦A≦10を満たす熱電変換用分散液である。このような所定の減衰率を有する分散液を用いて熱電変換素子を製造することによって、ゼーベック係数と導電性とを両立し高いパワーファクターを示す、優れた熱電変換性能を発揮する熱電変換素子が製造できることを見出した。
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form for implementing this invention is demonstrated concretely.
The dispersion liquid for thermoelectric conversion of the present invention is a dispersion liquid for thermoelectric conversion comprising a thermoelectric conversion material and a dispersion medium, and when the nonvolatile content concentration in the dispersion liquid is 0.5% by mass, ultrasonic wave When the attenuation rate of the dispersion liquid at 20 MHz is A (/mm) in measurement using a particle size distribution meter, the dispersion liquid for thermoelectric conversion satisfies 0.2≦A≦10. By manufacturing a thermoelectric conversion element using a dispersion liquid having such a predetermined attenuation rate, a thermoelectric conversion element that exhibits excellent thermoelectric conversion performance that has both Seebeck coefficient and conductivity and exhibits a high power factor can be produced. We discovered that it can be manufactured.
<熱電変換材料>
熱電変換材料としては、ゼーベック効果を発現し、熱電材料として用いることができる材料であれば、特に限定されないが、例えば、無機熱電変換材料、有機低分子材料、導電性高分子、高分子複合材料等の有機導電性材料、炭素材料などが挙げられる。耐久性や伸縮性の観点から炭素材料が好ましい。ゼーベック係数と導電率との両立の観点で、炭素材料としては、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラフェン(グラフェンナノプレートを含む)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。
<Thermoelectric conversion materials>
The thermoelectric conversion material is not particularly limited as long as it exhibits the Seebeck effect and can be used as a thermoelectric material, but examples thereof include inorganic thermoelectric conversion materials, organic low molecular weight materials, organic conductive materials such as conductive polymers and polymer composite materials, and carbon materials. Carbon materials are preferred from the viewpoint of durability and elasticity. From the viewpoint of achieving both the Seebeck coefficient and the electrical conductivity, the carbon material is preferably at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon black, and graphene (including graphene nanoplates), more preferably carbon nanotubes, and particularly preferably single-walled carbon nanotubes.
無機熱電変換材料は、熱電変換能を有するものであれば特に限定されないが、例えば、酸化亜鉛、酸化スズ、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、(Zn,Al)O、NaCo2O4、Ca3Co4O9、Bi2Sr2Co2Oy、及び硫化銀等の金属の酸化物や硫化物;Bi、Sb、Ag、Pb、Ge、Cu、Sn、As、Se、Te、Fe、Mn、Co、及びSiから選択される少なくとも2種以上の元素を含む金属元素複合材料が挙げられる。金属元素複合材料の好適な例としては、BiTe系、BiSb系、BiSbTe系、BiSbSe系、CoSb系、PbTe系、TeSe系、及びSiGe系の材料や、マグネシウムシリサイド系材料(Mg2Si系材料)が挙げられる。 Inorganic thermoelectric conversion materials are not particularly limited as long as they have thermoelectric conversion ability, but examples include zinc oxide, tin oxide, strontium titanate, barium titanate, (Zn, Al)O, NaCo 2 O 4 , Ca 3 Metal oxides and sulfides such as Co 4 O 9 , Bi 2 Sr 2 Co 2 Oy, and silver sulfide; Bi, Sb, Ag, Pb, Ge, Cu, Sn, As, Se, Te, Fe, Mn, Examples include metal element composite materials containing at least two or more elements selected from Co and Si. Suitable examples of metal element composite materials include BiTe-based, BiSb-based, BiSbTe-based, BiSbSe-based, CoSb-based, PbTe-based, TeSe-based, and SiGe-based materials, and magnesium silicide-based materials (Mg 2 Si-based materials). can be mentioned.
導電性高分子は特に制限されず、例えば、ポリアニリン系導電性高分子、ポリピロール系導電性高分子、ポリチオフェン系導電性高分子、ポリアセチレン系導電性高分子、ポリフェニレン系導電性高分子、ポリフェニレンビニレン系導電性高分子、ポリアニリン系導電性高分子、ポリアセン系導電性高分子、ポリチオフェンビニレン系導電性高分子、及びこれらの共重合体等が挙げられる。空気中での安定性の点からは、ポリアニリン系導電性高分子、ポリピロール系導電性高分子、ポリチオフェン系導電性高分子が好ましく、導電性の観点から、ポリチオフェン系導電性高分子がより好ましい。導電性高分子は1種又は2種以上を併用することができる。 The conductive polymer is not particularly limited, and examples thereof include polyaniline conductive polymer, polypyrrole conductive polymer, polythiophene conductive polymer, polyacetylene conductive polymer, polyphenylene conductive polymer, and polyphenylene vinylene conductive polymer. Examples include conductive polymers, polyaniline conductive polymers, polyacene conductive polymers, polythiophene vinylene conductive polymers, and copolymers thereof. From the viewpoint of stability in air, polyaniline-based conductive polymers, polypyrrole-based conductive polymers, and polythiophene-based conductive polymers are preferred, and from the viewpoint of conductivity, polythiophene-based conductive polymers are more preferred. The conductive polymers can be used alone or in combination of two or more.
ポリアニリン系導電性高分子としては、ポリアニリン、ポリ(2-メチルアニリン)、ポリ(3-イソブチルアニリン)、ポリ(2-アニリンスルホン酸)、ポリ(3-アニリンスルホン酸)等が挙げられる。 Examples of polyaniline-based conductive polymers include polyaniline, poly(2-methylaniline), poly(3-isobutylaniline), poly(2-aniline sulfonic acid), poly(3-aniline sulfonic acid), and the like.
ポリピロール系導電性高分子としては、ポリピロール、ポリ(N-メチルピロール)、ポリ(3-メチルピロール)、ポリ(3-エチルピロール)、ポリ(3-n-プロピルピロール)、ポリ(3-ブチルピロール)、ポリ(3-オクチルピロール)、ポリ(3-デシルピロール)、ポリ(3-ドデシルピロール)、ポリ(3,4-ジメチルピロール)、ポリ(3,4-ジブチルピロール)、ポリ(3-カルボキシピロール)、ポリ(3-メチル-4-カルボキシピロール)、ポリ(3-メチル-4-カルボキシエチルピロール)、ポリ(3-メチル-4-カルボキシブチルピロール)、ポリ(3-ヒドロキシピロール)、ポリ(3-メトキシピロール)、ポリ(3-エトキシピロール)、ポリ(3-ブトキシピロール)、ポリ(3-ヘキシルオキシピロール)、ポリ(3-メチル-4-ヘキシルオキシピロール)等が挙げられる。 Examples of polypyrrole-based conductive polymers include polypyrrole, poly(N-methylpyrrole), poly(3-methylpyrrole), poly(3-ethylpyrrole), poly(3-n-propylpyrrole), poly(3-butylpyrrole), poly(3-octylpyrrole), poly(3-decylpyrrole), poly(3-dodecylpyrrole), poly(3,4-dimethylpyrrole), poly(3,4-dibutylpyrrole), poly(3-carboxypyrrole), poly(3-methyl-4-carboxypyrrole), poly(3-methyl-4-carboxyethylpyrrole), poly(3-methyl-4-carboxybutylpyrrole), poly(3-hydroxypyrrole), poly(3-methoxypyrrole), poly(3-ethoxypyrrole), poly(3-butoxypyrrole), poly(3-hexyloxypyrrole), and poly(3-methyl-4-hexyloxypyrrole).
ポリチオフェン系導電性高分子としては、ポリチオフェン、ポリ(3-メチルチオフェン)、ポリ(3-エチルチオフェン、ポリ(3-プロピルチオフェン)、ポリ(3-ブチルチオフェン)、ポリ(3-ヘキシルチオフェン)、ポリ(3-ヘプチルチオフェン)、ポリ(3-オクチルチオフェン)、ポリ(3-デシルチオフェン)、ポリ(3-ドデシルチオフェン)、ポリ(3-オクタデシルチオフェン)、ポリ(3-ブロモチオフェン)、ポリ(3-クロロチオフェン)、ポリ(3-ヨードチオフェン)、ポリ(3-シアノチオフェン)、ポリ(3-フェニルチオフェン)、ポリ(3,4-ジメチルチオフェン)、ポリ(3,4-ジブチルチオフェン)、ポリ(3-ヒドロキシチオフェン)、ポリ(3-メトキシチオフェン)、ポリ(3-エトキシチオフェン)、ポリ(3-ブトキシチオフェン)、ポリ(3-ヘキシルオキシチオフェン)、ポリ(3-ヘプチルオキシチオフェン)、ポリ(3-オクチルオキシチオフェン)、ポリ(3-デシルオキシチオフェン)、ポリ(3-ドデシルオキシチオフェン)、ポリ(3-オクタデシルオキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジヒドロキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジメトキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジエトキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジプロポキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジブトキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジヘキシルオキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジヘプチルオキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジオクチルオキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジデシルオキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジドデシルオキシチオフェン)、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリ(3,4-プロピレンジオキシチオフェン)、ポリ(3,4-ブチレンジオキシチオフェン)、ポリ(3-メチル-4-メトキシチオフェン)、ポリ(3-メチル-4-エトキシチオフェン)、ポリ(3-カルボキシチオフェン)、ポリ(3-メチル-4-カルボキシチオフェン)、ポリ(3-メチル-4-カルボキシエチルチオフェン)、ポリ(3-メチル-4-カルボキシブチルチオフェン)、ポリ(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-プロパンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-プロパンスルホン酸カリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-メチル-1-プロパンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-エチル-1-プロパンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-プロピル-1-プロパンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-ブチル-1-プロパンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-ペンチル-1-プロパンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-ヘキシル-1-プロパンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-イソプロピル-1-プロパンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-イソブチル-1-プロパンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-イソペンチル-1-プロパンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-フルオロ-1-プロパンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-イルオキシ]-1-メチル-1-プロパンスルホン酸カリウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-メチル-1-プロパンスルホン酸)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-メチル-1-プロパンスルホン酸アンモニウム)、ポリ(3-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-メチル-1-プロパンスルホン酸トリエチルアンモニウム)、ポリ(4-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-ブタンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(4-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-ブタンスルホン酸カリウム)、ポリ(4-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-メチル-1-ブタンスルホン酸ナトリウム)、ポリ(4-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-メチル-1-ブタンスルホン酸カリウム)、ポリ(4-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-フルオロ-1-ブタンスルホン酸ナトリウム)、又はポリ(4-[(2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b]-[1,4]ジオキセピン-3-イルオキシ]-1-フルオロ-1-ブタンスルホン酸カリウム)等が挙げられる。 Polythiophene-based conductive polymers include polythiophene, poly(3-methylthiophene), poly(3-ethylthiophene, poly(3-propylthiophene), poly(3-butylthiophene), poly(3-hexylthiophene), poly(3-heptylthiophene), poly(3-octylthiophene), poly(3-decylthiophene), poly(3-dodecylthiophene), poly(3-octadecylthiophene), poly(3-bromothiophene), poly(3-chlorothiophene), poly(3-iodothiophene), poly(3-cyanothiophene), poly(3-phenylthiophene), poly(3,4-dimethylthiophene), poly(3,4-dibutylthiophene), and poly(3-hydrothiophene). poly(3-methoxythiophene), poly(3-ethoxythiophene), poly(3-butoxythiophene), poly(3-hexyloxythiophene), poly(3-heptyloxythiophene), poly(3-octyloxythiophene), poly(3-decyloxythiophene), poly(3-dodecyloxythiophene), poly(3-octadecyloxythiophene), poly(3,4-dihydroxythiophene), poly(3,4-dimethoxythiophene), poly(3,4-diethoxythiophene), poly(3,4-dipropoxythiophene), poly(3,4-dibutoxythiophene), poly(3,4-dihexyloxythiophene), poly(3,4-diheptyloxythiophene), oxythiophene), poly(3,4-dioctyloxythiophene), poly(3,4-didecyloxythiophene), poly(3,4-didodecyloxythiophene), poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene), poly(3,4-butylenedioxythiophene), poly(3-methyl-4-methoxythiophene), poly(3-methyl-4-ethoxythiophene), poly(3-carboxythiophene), poly(3-methyl-4-carboxythiophene), poly(3-methyl-4-carboxyethylthiophene), poly(3-methyl-4-carboxybutylthiophene), poly(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4] dioxepin-3-yloxy]-1-propanesulfonic acid sodium salt), poly(3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-propanesulfonic acid potassium salt), poly(3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-methyl-1-propanesulfonic acid sodium salt), poly(3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-ethyl-1-propanesulfonic acid sodium salt), poly(3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-propyl-1-propanesulfonic acid sodium salt), poly(3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-butyl-1-propanesulfonate), poly(3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-pentyl-1-propanesulfonate), poly(3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-hexyl-1-propanesulfonate), poly(3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-isopropyl-1-propanesulfonate), poly(3-[( sodium 2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-isobutyl-1-propanesulfonate), poly(3-[(sodium 2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-isopentyl-1-propanesulfonate), poly(3-[(sodium 2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-fluoro-1-propanesulfonate), poly(3-[(potassium 2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-methyl-1-propanesulfonate), poly(3-[(potassium 2,3-dihydrothieno[3,4-b ]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-methyl-1-propanesulfonic acid), poly(3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-methyl-1-propanesulfonic acid ammonium), poly(3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-methyl-1-propanesulfonic acid triethylammonium), poly(4-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-butanesulfonic acid sodium), poly(4-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-methyl-1-propanesulfonic acid butanesulfonate), poly(4-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-methyl-1-butanesulfonate sodium), poly(4-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-methyl-1-butanesulfonate potassium), poly(4-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-fluoro-1-butanesulfonate sodium), or poly(4-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxepin-3-yloxy]-1-fluoro-1-butanesulfonate potassium).
炭素材料としては、上で挙げたものの他に、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。 In addition to the above-mentioned carbon materials, examples of flaky graphite include 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, and LEP manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd. , F#1, F#2, F#3, BF-3AK, FBF, BF-15AK, CBR, CPB-6S, CPB-3, 96L, 96L-3, K-3, SC-120, SC-60, HLP, CP-150, SB-1 manufactured by Chuetsu Graphite Co., Ltd., EC1500, EC1000, EC500, EC300, EC100, EC50 manufactured by Ito Graphite Co., Ltd., 10099M, PB-99 manufactured by Nishimura Graphite Co., Ltd. Examples of spherical natural graphite include CGC-20, CGC-50, CGB-20, and CGB-50 manufactured by Nippon Graphite Co., Ltd. Examples of amorphous 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, and HAG-150 manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., and G-4AK, G-6S, G-3G-150, G-30, G-80, G-50, SMF, EMF, SFF, SFF-80B, SS-100, BSP-15AK, and BSP-100A manufactured by Chuetsu Graphite Co., Ltd. K, WF-15C, and SEC Carbon's 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, and SGX-1.
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。これらは特に限定されることはない。 Examples of commercially available carbon black include Tokai Carbon's Toka Black #4300, #4400, #4500, and #5500; Degussa's Printex L; and Colombian's Raven 7000, 5750, 5250, 5000 ULTRA III, 5000 ULTRA, Conductex SC ULTRA, and Conductex 975. Examples of suitable blacks include furnace blacks such as ULTRA, PUERBLACK 100, 115, and 205, #2350, #2400B, #2600B, #3050B, #3030B, #3230B, #3350B, #3400B, and #5400B manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, MONARCH 1400, 1300, and 900, Vulcan XC-72R, and BlackPearls 2000 manufactured by Cabot Corporation, Ensaco 250G, Ensaco 260G, Ensaco 350G, and Super P-Li manufactured by TIMCAL Corporation, Ketjen blacks such as EC-300J and EC-600JD manufactured by Lion Corporation, and acetylene blacks such as Denka Black, Denka Black HS-100, and FX-35 manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. These are not particularly limited.
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、OcSiAl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等が挙げられる。導電性の観点から、OcSiAl社製のTUBALLが特に好ましい。 Commercially available conductive carbon fibers and carbon nanotubes include vapor grown carbon fibers such as VGCF manufactured by Showa Denko K.K., single-walled carbon nanotubes such as EC1.5 and EC1.5-P manufactured by Meijo Nano Carbon Co., Ltd., TUBALL manufactured by OcSiAl Corporation, and ZEONANO manufactured by Zeon Nano Technology Co., Ltd., FloTube 9000, FloTube 7000, and FloTube 2000 manufactured by CNano Corporation, NC7000 manufactured by Nanocyl Corporation, and 100T and 200P manufactured by Knano Corporation. From the viewpoint of electrical conductivity, TUBALL manufactured by OcSiAl Corporation is particularly preferred.
これらの炭素材料は、必要に応じて置換基を導入して変性したり、電荷移動を促進し得る化合物を共存させて使用したりすることもできる。また、分散液中での熱電変換材料の含有量は、熱電特性の観点から、不揮発分中で30~100質量%であり、好ましくは40~85質量%である。 These carbon materials may be modified by introducing substituents as necessary, or may be used in the presence of a compound capable of promoting charge transfer. Further, from the viewpoint of thermoelectric properties, the content of the thermoelectric conversion material in the dispersion is 30 to 100% by mass, preferably 40 to 85% by mass, based on nonvolatile components.
<分散媒>
本発明において使用する分散媒は、熱電変換材料の溶解又は分散に使用され、インキ化による塗工性向上が可能とする。使用できる分散媒としては、熱電変換材料が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。
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。熱電変換材料を分散する溶剤としては、溶解性と分散性の観点から、N-メチルピロリドンが特に好ましい。
<Dispersion medium>
The dispersion medium used in the present invention is used to dissolve or disperse the thermoelectric conversion material, and makes it possible to improve coating properties by forming it into an ink. The dispersion medium that can be used is not particularly limited as long as the thermoelectric conversion material can be dissolved or dispersed well, and examples thereof include organic solvents and water, and two or more types may be used in combination.
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. As the solvent for dispersing the thermoelectric conversion material, N-methylpyrrolidone is particularly preferred from the viewpoint of solubility and dispersibility.
<その他成分>
熱電変換素子の特性を向上させる観点から、熱電変換材料と分散媒以外に、その他成分として、分散剤や半導体、酸化防止剤、レベリング剤、樹脂などを含んでもよい。その他成分は、導電性の観点から、不揮発分中濃度として60質量%以内が好ましく、50質量%以内がより好ましい。
<Other ingredients>
From the viewpoint of improving the characteristics of the thermoelectric conversion element, in addition to the thermoelectric conversion material and the dispersion medium, other components may be contained, such as a dispersant, a semiconductor, an antioxidant, a leveling agent, a resin, etc. From the viewpoint of electrical conductivity, the concentration of the other components in the non-volatile content is preferably 60 mass % or less, more preferably 50 mass % or less.
(分散剤)
分散剤は、無機材料や有機材料を媒体中に均一に分散させ安定な分散体を調整するために用いるものであり、塗工性、導電性及び熱電特性のさらなる向上が可能となる。分散剤の種類は特に制限されず、熱電変換材料の分散に用いられる従来公知のものを使用することができる。分散剤は、単独又は2種以上を併用して使用してもよい。
(Dispersant)
The dispersant is used to uniformly disperse inorganic or organic materials in a medium to prepare a stable dispersion, which enables further improvement in coatability, electrical conductivity, and thermoelectric properties. The type of dispersant is not particularly limited, and any conventionally known dispersant used for dispersing thermoelectric conversion materials can be used. The dispersant may be used alone or in combination of two or more types.
分散剤としては、酸性分散剤、塩基性分散剤、両性分散剤、非イオン型分散剤等が挙げられる。また、酸性分散剤の酸性官能基としては、カルボン酸基、スルホン酸基及びリン酸基等が挙げられ、塩基性分散剤の極性官能基としては、1級アミノ基、2級アミノ基、3級アミノ基及び4級アンモニウム塩基等が挙げられ、非イオン型分散剤の非イオン性官能基としては、水酸基、アミド基、ケトン基、エポキシ基、及びエステル基等が挙げられる。 Examples of dispersants include acidic dispersants, basic dispersants, amphoteric dispersants, and nonionic dispersants. Examples of the acidic functional groups of acidic dispersants include carboxylic acid groups, sulfonic acid groups, and phosphoric acid groups. Examples of the polar functional groups of basic dispersants include primary amino groups, secondary amino groups, tertiary amino groups, and quaternary ammonium base groups. Examples of the nonionic functional groups of nonionic dispersants include hydroxyl groups, amide groups, ketone groups, epoxy groups, and ester groups.
塩基性分散剤は、市販品として例えば、日本ルーブリゾール社製のSOLSPERSE-9000、11200、13240、13650、13940、16000、17000、18000、20000、22000、24000、24000SC、24000GR、26000、28000、32000、32500、32550、32600、33000、34750、35100、35200、37500、38500、39000、53095、56000、71000、76500、X300等、ビックケミー・ジャパン社製のDISPERBYK-108、109、112、116、130、161、162、163、164、166、167、168、182、183、184、185、2000、2008、2009、2022、2050、2150、2155、2163、2164、9077、101、106、140、142、145、180、2001、2020、2025、2070、9076等、味の素ファインテクノ社製のアジスパーPB821、PB822、PB824、PB881等、BASF社製のEFKA-4015、4020、4046、4047、4050、4055、4080、4300、4330、4400、4401、4402等が挙げられる。 Examples of commercially available basic dispersants include SOLSPERSE-9000, 11200, 13240, 13650, 13940, 16000, 17000, 18000, 20000, 22000, 24000, 24000SC, 24000GR, 26000, 28000, 32000, 32500, 32550, 32600, 33000, 34750, 35100, 35200, 37500, 38500, 39000, 53095, 56000, 71000, 76500, and X300 manufactured by Lubrizol Japan Co., Ltd., and DISPERBYK-108, 109, 112, 116, 118, and 120 manufactured by BYK Japan Co., Ltd. 30, 161, 162, 163, 164, 166, 167, 168, 182, 183, 184, 185, 2000, 2008, 2009, 2022, 2050, 2150, 2155, 2163, 2164, 9077, 101, 106, 140, 142, 145, 180, 2001, 2020, 2025 , 2070, 9076, etc., Ajinomoto Fine-Techno Co., Ltd.'s Ajisper PB821, PB822, PB824, PB881, etc., and BASF's EFKA-4015, 4020, 4046, 4047, 4050, 4055, 4080, 4300, 4330, 4400, 4401, 4402, etc.
酸性分散剤は、市販品としては例えば、日本ルーブリゾール社製のSOLSPERSE-3000、5000、21000、36000、36600、41000、41090、43000、44000、46000、47000、55000等、ビックケミー・ジャパン社製のDISPERBYK-102、110、111、170、171、174、P104、P104S、P105、220S等、味の素ファインテクノ社製のアジスパーPA111等が挙げられる。 Examples of commercially available acidic dispersants include SOLSPERSE-3000, 5000, 21000, 36000, 36600, 41000, 41090, 43000, 44000, 46000, 47000, and 55000 manufactured by Lubrizol Japan, DISPERBYK-102, 110, 111, 170, 171, 174, P104, P104S, P105, and 220S manufactured by BYK Japan, and AJISPER PA111 manufactured by Ajinomoto Fine-Techno Co., Ltd.
非イオン型分散剤は、市販品としては例えば、日本ルーブリゾール社製のSOLSPERSE-27000、54000等が挙げられる。 Examples of commercially available nonionic dispersants include SOLSPERSE-27000 and 54000 manufactured by Nippon Lubrizol.
分散剤は、低分子又は高分子のいずれでもよいが、炭素材料の導電パスを阻害させないために、低分子であることが好ましく、より好ましくは分子量が100以上1,000以下であり、特に好ましくは200以上600以下である。分散剤の分子量が 100以上1,000以下であると、炭素材料表面に一部吸着するだけで分散させることができ、高導電性が効率的に発揮されるため好ましい。なお、分散剤が高分子である場合、質量平均分子量(Mw)の値を分子量とする。また、分散剤として、有機色素誘導体又はトリアジン誘導体を使用してもよい。 The dispersant may be either a low molecule or a polymer, but in order not to inhibit the conductive path of the carbon material, it is preferably a low molecule, more preferably has a molecular weight of 100 or more and 1,000 or less, particularly preferably is 200 or more and 600 or less. It is preferable that the molecular weight of the dispersant is 100 or more and 1,000 or less because it can be dispersed by only partially adsorbing on the surface of the carbon material and high conductivity can be efficiently exhibited. In addition, when a dispersant is a polymer, let the value of mass average molecular weight (Mw) be molecular weight. Furthermore, an organic dye derivative or a triazine derivative may be used as a dispersant.
分散剤の含有量は、分散性の観点から、好ましくは熱電変換材料の全量に対して5~200質量%であることが好ましく、10~150質量%であることがより好ましく、20~80質量%であることがさらに好ましい。5~200質量%であると、熱電変換材料の経時分散安定性が向上する。 From the viewpoint of dispersibility, the content of the dispersant is preferably 5 to 200% by mass, more preferably 10 to 150% by mass, and 20 to 80% by mass based on the total amount of the thermoelectric conversion material. % is more preferable. When the content is 5 to 200% by mass, the dispersion stability of the thermoelectric conversion material over time improves.
(半導体)
半導体は公知のものであれば特に制限されず、ゼーベック係数向上のために用いられる。半導体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、含有量を増やし過ぎると絶縁性が増して導電性が低下する恐れがあるため、ゼーベック係数と導電率との両立の観点から、熱電変換材料の全量に対して、上限値が、400質量%以下が好ましく、200質量%以下より好ましく、120質量%以下が更に好ましく、100質量%以下が特に好ましい。半導体は単独又は2種以上を併用して使用してもよい。また、下限値は、25質量%以上が好ましい。上記の含有量の範囲内であると、ゼーベック係数と経時分散安定性が向上する。
(semiconductor)
The semiconductor is not particularly limited as long as it is a known semiconductor, and is used for improving the Seebeck coefficient. The Seebeck coefficient can be improved by increasing the content of semiconductor, but if the content is increased too much, the insulation properties may increase and the conductivity may decrease. The upper limit is preferably 400% by mass or less, more preferably 200% by mass or less, even more preferably 120% by mass or less, particularly preferably 100% by mass or less, based on the total amount of the thermoelectric conversion material. The semiconductors may be used alone or in combination of two or more. Moreover, the lower limit is preferably 25% by mass or more. Within the above content range, the Seebeck coefficient and dispersion stability over time are improved.
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。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。 The method for producing the 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. 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.
<減衰率>
本発明における減衰率とは、超音波粒度分布系における超音波減衰スペクトルの値を表す。20MHzにおける減衰率をA(/mm)とし、10MHzにおける減衰率をB(/mm)として、この比率をA/Bとする。
<Attenuation rate>
The attenuation rate in the present invention represents the value of an ultrasonic attenuation spectrum in an ultrasonic particle size distribution system. Let A (/mm) be the attenuation rate at 20 MHz, B (/mm) be the attenuation rate at 10 MHz, and let this ratio be A/B.
超音波減衰法は、超音波を懸濁液に照射すると、その懸濁液中の粒子が溶媒に対して相対運動を起こすが、その運動に起因する音響エネルギーの減衰率を、発振した音響エネルギーに対して測定し、その特性から粒度分布を求める方法である。超音波減衰法は、濃厚溶液の平均粒径、分布パターンの測定に最適な方法である。また、超音波減衰法を用いた粒度分布測定装置としては、日本ルフト社製の商品名DT-1200等が挙げられる。 In the ultrasonic attenuation method, when a suspension is irradiated with ultrasonic waves, the particles in the suspension move relative to the solvent, and the attenuation rate of the acoustic energy caused by this movement is calculated as In this method, the particle size distribution is determined from the characteristics of the particles. The ultrasonic attenuation method is the most suitable method for measuring the average particle size and distribution pattern of concentrated solutions. Further, as a particle size distribution measuring device using an ultrasonic attenuation method, there may be mentioned the product name DT-1200 manufactured by Nippon Luft Co., Ltd., and the like.
上記超音波減衰法は、測定チャンバー上部から測定用の懸濁液を注ぎ、基本的には循環させながら行われ、必要に応じて、循環速度を変更できる。また、沈降物の発生がほとんど無いスラリーでは循環を止めて測定される。上記超音波減衰法は、一方に設置された振動子から3~100MHzの超音波をチャンバー中の懸濁液に照射し、他方に設置された振動子でこれを受信して、超音波が懸濁液中を伝播する間に減衰した割合(減衰率)を複数の設定された周波数毎に測定することで減衰率曲線が得られる。この曲線を超音波減衰スペクトルと呼ぶ。この超音波減衰スペクトルの形状、傾きから分散状態や粒子分布状態を算出、評価する方法である。上記超音波減衰法の具体的な測定方法については、「色材、75〔11〕,530-537(2002)武田真一著、岡山大学」に記載されていると同様に測定できる。 The above ultrasonic attenuation method is performed by pouring a suspension for measurement from the top of the measurement chamber and basically circulating it, and the circulation speed can be changed as necessary. In addition, for slurries with almost no sediment, the measurement is performed with the circulation stopped. The ultrasonic attenuation method described above irradiates a suspension in a chamber with ultrasonic waves of 3 to 100 MHz from a vibrator installed on one side, and receives the ultrasonic waves with a vibrator installed on the other side. An attenuation rate curve can be obtained by measuring the attenuation rate (attenuation rate) during propagation in the turbid liquid for each of a plurality of set frequencies. This curve is called the ultrasonic attenuation spectrum. This method calculates and evaluates the dispersion state and particle distribution state from the shape and slope of this ultrasonic attenuation spectrum. The specific measurement method of the above-mentioned ultrasonic attenuation method can be measured in the same manner as described in "Shokuzai, 75 [11], 530-537 (2002), Shinichi Takeda, Okayama University".
(分散液の減衰率)
20MHzにおける減衰率A(/mm)は、熱電変換材料の凝集物の密度に対応し、減衰率が高い程、密度が低いことを表す。凝集物の密度が低下すると、より大きな導電パスを形成するため、凝集物の導電性が向上する。したがって、20MHzにおける減衰率は0.2≦A≦10が好ましく、より好ましくは0.3≦A≦5である。
(Dispersion Attenuation Rate)
The attenuation factor A (/mm) at 20 MHz corresponds to the density of the agglomerates of the thermoelectric conversion material, and the higher the attenuation factor, the lower the density. When the density of the agglomerates decreases, a larger conductive path is formed, and the conductivity of the agglomerates improves. Therefore, the attenuation factor at 20 MHz is preferably 0.2≦A≦10, and more preferably 0.3≦A≦5.
10MHzにおける減衰率B(/mm)と20MHzにおける減衰率Aの比であるA/Bは、凝集物のサイズに比例し、凝集物のサイズが小さくなるほどA/Bは大きくなる。熱電変換材料の凝集物は小さくなるほど、製膜した際、凝集物同士がより密に接触するため導電性が向上する。したがって、A/Bは、2≦A/B≦20が好ましい。 A/B, which is the ratio of the attenuation rate B (/mm) at 10 MHz to the attenuation rate A at 20 MHz, is proportional to the size of the agglomerate, and the smaller the agglomerate size, the larger A/B becomes. The smaller the agglomerates of the thermoelectric conversion material are, the more closely they come into contact with each other when formed into a film, improving electrical conductivity. Therefore, it is preferable that A/B be 2≦A/B≦20.
(熱電変換用分散液の塗膜)
塗膜は、基材上に熱電変換用分散液を塗布して得られる膜であってよい。熱電変換用分散液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。
(Coating film of dispersion liquid for thermoelectric conversion)
The coating film may be a film obtained by applying a thermoelectric conversion dispersion onto a base material. Since the dispersion liquid for thermoelectric conversion 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.
塗膜の膜厚は、特に限定されるものではないが、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 coating film is not particularly limited, but it is preferable that the coating film is formed to have a certain thickness or more so that a temperature difference can be generated and transmitted in the thickness direction or surface direction of the thermoelectric conversion film. 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, more preferably in the range of 1 to 100 μm, and even 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など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。 In order to improve the adhesion between the substrate and the thermoelectric conversion film, various treatments can be performed on the substrate surface. Specifically, prior to application of the thermoelectric conversion material, UV ozone treatment, corona treatment, plasma treatment, or easy-adhesion treatment may be performed.
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、以下の実施例は、本発明の権利範囲を何ら制限するものではない。なお、特に明記しない限り、「部」は、「質量部」を表す。また。「NMP」はN-メチルピロリドンを表す。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples, but the following Examples do not limit the scope of the present invention in any way. Note that unless otherwise specified, "parts" represent "parts by mass." Also. "NMP" stands for N-methylpyrrolidone.
(熱電変換材料分散液の製造)
[実施例1]
単層カーボンナノチューブ(OcSiAl社製、TUBALL)0.2部、NMP39.6部をそれぞれ秤量して混合した。その後、スキャンデックスにより120分間振とうし、熱電変換材料分散液1を得た。
(Production of Thermoelectric Conversion Material Dispersion)
[Example 1]
0.2 parts of single-walled carbon nanotubes (TUBALL, manufactured by OcSiAl Corporation) and 39.6 parts of NMP were weighed and mixed. The mixture was then shaken for 120 minutes using a Scandex to obtain a thermoelectric conversion material dispersion 1.
[実施例2~19、比較例1]
表1に記載した材料、組成および分散条件に変更した以外は、実施例1と同様の方法により、それぞれ分散液2~19、21を得た。尚、表1中の空欄は配合していないまたは操作していないことを表す。また、「PF」とは、下記の測定方法によって得られた体積導電率とゼーベック係数より算出されたパワーファクターを表す。
[Examples 2 to 19, Comparative Example 1]
Dispersions 2 to 19 and 21 were obtained in the same manner as in Example 1, except that the materials, compositions and dispersion conditions were changed as shown in Table 1. Note that blanks in Table 1 indicate that no compounding or no operation was performed. Also, "PF" represents a power factor calculated from the volume conductivity and Seebeck coefficient obtained by the measurement method described below.
[実施例20]
単層カーボンナノチューブ(OcSiAl社製、TUBALL)0.2部、分散剤A(トリアジン誘導体)0.1部、NMP39.6部をそれぞれ秤量して混合した。超音波水浴を用いて超音波を30分間照射し、熱電変換材料分散液20を得た。
[Example 20]
0.2 parts of single-walled carbon nanotubes (TUBALL, manufactured by OcSiAl Corporation), 0.1 parts of dispersant A (triazine derivative), and 39.6 parts of NMP were weighed and mixed. Ultrasonic waves were irradiated for 30 minutes using an ultrasonic water bath to obtain a thermoelectric conversion material dispersion liquid 20.
表1に記載した材料を以下に示す。
<熱電変換材料>
・TUBALL(OcSiAl社製、単層カーボンナノチューブ)
・ZEONANO(ゼオンナノテクノロジー社製、単層カーボンナノチューブ)
<分散剤>
・下記の構造式で示される分散剤A(トリアジン誘導体)
The materials listed in Table 1 are as follows:
<Thermoelectric conversion materials>
- TUBALL (OcSiAl, single-walled carbon nanotubes)
・ZEONAN (Zeon Nanotechnology, single-walled carbon nanotubes)
<Dispersant>
Dispersant A (triazine derivative) represented by the following structural formula:
・ソルスパーズ24000(Lubrizol社製、分散剤)
<半導体>
・ピレン(東京化成工業社製)
・DETX-S(2,4-ジエチルチオキサンテン-9-オン、東京化成工業社製)
・ローズベンガル(東京化成工業社製)
・Solspers 24000 (manufactured by Lubrizol, dispersant)
<Semiconductor>
・Pyrene (manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.)
・DETX-S (2,4-diethylthioxanthene-9-one, manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.)
・Rose Bengal (manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.)
<熱電変換材料分散液の評価>
(減衰率の測定および算出方法)
分散液1~21をそれぞれ一部採取し、NMPで不揮発分濃度が0.5質量%となるように希釈して、超音波減衰法粒度分布測定装置(日本ルフト社製、商品名DT-1200)を用いて25℃で減衰率を測定した。3~100MHzの間で下記の設定周波数毎の減衰率を測定した。設定周波数は、3.0MHz、3.7MHz、4.5MHz、5.6MHz、6.8MHz、8.4MHz、10.3MHz、12.7MHz、15.6MHz、19.2MHz、23.5MHz、28.9MHz、35.5MHz、43.7MHz、53.6MHz、81.0MHzおよび99.5MHzとした。測定は脱気した分散液を用いて複数回行い、各測定点で前回測定との誤差が5%以内となれば測定を終了し最終回の測定値を採用した。脱気は、減圧できる装置の中に分散液を入れ、数回減圧-常圧を繰り返した後に数時間静置してから行った。15.6MHz、19.2MHzおよび23.5MHzにおける減衰率に基づいた最小二乗法により求めた一次関数に基づく近似曲線から算出した20MHzにおける減衰率をA(/mm)とした。また、8.4MHz、10.3MHzおよび12.7MHzにおける減衰率に基づいた最小二乗法により求めた二次関数に基づく近似曲線から算出した10MHzにおける減衰率をB(/mm)とした。これら二つの減衰率の比A/Bを算出した。
<Evaluation of thermoelectric conversion material dispersion>
(Measurement and calculation method of attenuation rate)
A portion of each of the dispersions 1 to 21 was sampled, diluted with NMP so that the nonvolatile content concentration was 0.5% by mass, and analyzed using an ultrasonic attenuation method particle size distribution analyzer (manufactured by Nippon Luft Co., Ltd., trade name DT-1200). ) was used to measure the decay rate at 25°C. The attenuation rate was measured for each set frequency below between 3 and 100 MHz. The set frequencies are 3.0MHz, 3.7MHz, 4.5MHz, 5.6MHz, 6.8MHz, 8.4MHz, 10.3MHz, 12.7MHz, 15.6MHz, 19.2MHz, 23.5MHz, 28. They were 9 MHz, 35.5 MHz, 43.7 MHz, 53.6 MHz, 81.0 MHz and 99.5 MHz. The measurement was carried out multiple times using a deaerated dispersion liquid, and when the error from the previous measurement at each measurement point was within 5%, the measurement was terminated and the final measurement value was adopted. Deaeration was carried out after placing the dispersion liquid in a device capable of reducing the pressure, repeating the process between reduced pressure and normal pressure several times, and then allowing it to stand still for several hours. The attenuation rate at 20 MHz calculated from an approximate curve based on a linear function determined by the least squares method based on the attenuation rates at 15.6 MHz, 19.2 MHz, and 23.5 MHz was defined as A (/mm). Further, the attenuation rate at 10 MHz calculated from an approximate curve based on a quadratic function determined by the least squares method based on the attenuation rates at 8.4 MHz, 10.3 MHz, and 12.7 MHz was defined as B (/mm). The ratio A/B of these two attenuation rates was calculated.
(経時分散安定性の測定方法)
分散液1~21をそれぞれ目視で確認し、下記評価基準に基づいて分散性を評価した。
(Method for measuring dispersion stability over time)
Each of Dispersions 1 to 21 was visually confirmed, and the dispersibility was evaluated based on the following evaluation criteria.
(評価基準)
◎:分散直後に凝集しておらず、48時間後でも沈殿が生じない(極めて良好)
〇:分散直後に凝集しておらず、24時間後でも沈殿が生じない(良好)
△:分散直後は凝集していないが、24時間後に沈殿が生じる(実用範囲内)
×:分散直後でも凝集物が残っており、均一な分散体が得られない(不良)
(Evaluation criteria)
◎: No agglomeration immediately after dispersion, no precipitation even after 48 hours (very good)
○: No agglomeration immediately after dispersion, no precipitation even after 24 hours (good)
△: No agglomeration immediately after dispersion, but precipitation occurs after 24 hours (within practical range)
×: Agglomerates remain even immediately after dispersion, making it impossible to obtain a uniform dispersion (defective)
<実施例1~20、および比較例1の塗膜の膜厚>
分散液1~21をアプリケーター20milを用いて、それぞれポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東レ社製、ルミラー(登録商標)E20#75、厚み75μm)に塗工し、80℃で4分間、更に120℃で30分間乾燥してそれぞれ塗膜1~21を得た。
得られた塗膜に対し、日本工業規格(JIS)B7503に規定されたダイヤルゲージを用いて塗工部の膜厚(a)と非塗工部の膜厚(b)をそれぞれ測定し、下記計算式より塗膜の膜厚(c)を求めた。
(c)=(a)-(b)
<Thickness of coating films of Examples 1 to 20 and Comparative Example 1>
Dispersions 1 to 21 were each applied to a polyethylene terephthalate (PET) film (manufactured by Toray Industries, Inc., Lumirror (registered trademark) E20 #75, thickness 75 μm) using a 20 mil applicator, and heated at 80°C for 4 minutes and then at 120°C. After drying for 30 minutes, coating films 1 to 21 were obtained, respectively.
For the obtained coating film, the thickness of the coated area (a) and the thickness of the non-coated area (b) were measured using a dial gauge specified in Japanese Industrial Standards (JIS) B7503, and the following values were measured: The film thickness (c) of the coating film was determined from the calculation formula.
(c)=(a)-(b)
<体積導電率の測定方法>
塗膜1~21について、抵抗率計(三菱化学アナリテック社製、ロレスタGP MCP-T610型抵抗率計、JIS-K7194準拠、4端子4探針法定電流印加方式)(0.5cm間隔の4端子プローブ)を用いて、体積導電率(S/cm)を測定した。
<Method for measuring volume conductivity>
For coating films 1 to 21, resistivity meter (manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd., Loresta GP MCP-T610 type resistivity meter, JIS-K7194 compliant, 4 terminal 4 probe legal current application method) (4 terminals at 0.5 cm intervals) The volume conductivity (S/cm) was measured using a terminal probe).
<ゼーベック係数の測定方法>
塗膜1~21について、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(μV/K)を測定した。
<Method of measuring Seebeck coefficient>
For each of the coating films 1 to 21, the Seebeck coefficient (μV/K) at 80° C. was measured using a ZEM-3LW manufactured by Advance Riko Co., Ltd.
Claims (4)
前記分散媒が、N-メチルピロリドンを含有し、
前記分散剤が、分子量が100以上1,000以下の分散剤、又は、ポリマー鎖を有する塩基性分散剤を含み、
分散液中の不揮発分濃度が0.5質量%である際に、超音波粒度分布計の測定において、20MHzにおける分散液の減衰率をA(/mm)とした時、0.2≦A≦10を満たす熱電変換用分散液。 A dispersion liquid for thermoelectric conversion comprising a thermoelectric conversion material, a dispersion medium, and a dispersant ,
the dispersion medium contains N-methylpyrrolidone,
The dispersant includes a dispersant having a molecular weight of 100 or more and 1,000 or less, or a basic dispersant having a polymer chain,
When the nonvolatile content concentration in the dispersion is 0.5% by mass, when the attenuation rate of the dispersion at 20MHz is A (/mm) in measurement using an ultrasonic particle size distribution meter, 0.2≦A≦ A dispersion liquid for thermoelectric conversion satisfying 10.
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