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JP7500968B2 - Thermoelectric conversion materials and thermoelectric conversion elements - Google Patents
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JP7500968B2 JP2019234719A JP2019234719A JP7500968B2 JP 7500968 B2 JP7500968 B2 JP 7500968B2 JP 2019234719 A JP2019234719 A JP 2019234719A JP 2019234719 A JP2019234719 A JP 2019234719A JP 7500968 B2 JP7500968 B2 JP 7500968B2
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Description

本発明は、熱電変換材料および熱電変換素子に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion element.

熱電変換材料を用いて熱を電気に変換する熱電変換技術は、自然界における様々な熱に加え、工場・車・家庭から排出される排熱や体温等の微小熱エネルギーを電気として有効活用できるクリーンエネルギーとして注目されている。熱電変換技術に活用される熱電効果は様々存在するが、半導体や金属の組合せにより構成される材料の両端に2つの異なる温度を与えた際、その温度差に応じて材料内に生じた電子勾配により起電力が発生するゼーベック効果を活用したシステムが主流である。 Thermoelectric conversion technology, which converts heat into electricity using thermoelectric conversion materials, has been attracting attention as a clean energy source that can effectively convert minute amounts of thermal energy, such as body heat and exhaust heat from factories, cars, and homes, as well as various types of heat in nature, into electricity. There are various thermoelectric effects that can be used in thermoelectric conversion technology, but the most common system uses the Seebeck effect, in which an electromotive force is generated by an electron gradient that occurs within a material in response to the temperature difference when two different temperatures are applied to both ends of the material, which is made up of a combination of semiconductors and metals.

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。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用いる。 Thermoelectric conversion materials that can convert between thermal energy and electrical energy are used in thermoelectric conversion elements such as thermoelectric power generation elements and Peltier elements. Thermoelectric conversion elements are elements that convert heat into electricity and are made up of a combination of semiconductors and metals. Representative thermoelectric conversion elements are classified into p-type semiconductors alone, n-type semiconductors alone, and combinations of p-type and n-type semiconductors. To obtain a larger potential difference, thermoelectric conversion elements generally use a combination of p-type and n-type semiconductors as materials.

また、熱電変換素子は、ペルチェ素子に代表されるように、多数の素子を板状、また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できるため、例えば、体温で作動する腕時計、地上用発電およ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、およびモジュールの耐久性等に依存する。 Thermoelectric conversion elements, such as Peltier elements, are also used as thermoelectric modules, which are made by combining a large number of elements into a plate or cylinder shape. Because they can directly convert thermal energy into electricity, they can be used, for example, as a power source for wristwatches that are powered by body heat, and for terrestrial and satellite power generation. The performance of a thermoelectric conversion element depends on the performance of the thermoelectric conversion material and the durability of the module, etc.

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、下記式(1)により表される。
ZT=((S2・σ)/к)・T 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)、およびкは熱伝導率(W/(m・K))である。熱伝導率кは下記式(2)で表される。
к=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、ゼーベック係数また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 a thermoelectric conversion material. In addition, a power factor PF (= S2 ·σ) is sometimes 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)/k)·T Equation (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 Equation (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 the thermoelectric conversion performance (hereinafter also referred to as thermoelectric properties), it is important to increase 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)、および常温から1000Kまではシリコン・ゲルマニウム系(Si-Ge系)などの無機材料が使用されている。 Typical thermoelectric conversion materials include inorganic materials such as bismuth-tellurium (Bi-Te) for temperatures from room temperature to 500 K, lead-tellurium (Pb-Te) for temperatures from room temperature to 800 K, and silicon-germanium (Si-Ge) for temperatures from room temperature to 1000 K.

しかし、これらの無機材料からなる熱電変換材料は、しばしば希少元素を含み高コストであるか、また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、無機材料からなる熱電変換材料については、製造エネルギーおよび製造コストが高くなり、汎用化が困難である。さらに無機材料からなる熱電変換材料は、剛直であるため、平面ではない形状にも加工可能な、フレキシブル性な熱電変換素子を製造することは困難である。また、一般的に無機材料からなる熱電変換材料は比重が高いため、素子を組合せてモジュール化した際に重量化しやすい点でも課題を有している。 However, these inorganic thermoelectric conversion materials often contain rare elements and are therefore expensive, or may contain harmful substances. In addition, inorganic materials are difficult to process, making the manufacturing process complicated. As a result, the manufacturing energy and manufacturing costs of inorganic thermoelectric conversion materials are high, making them difficult to generalize. Furthermore, inorganic thermoelectric conversion materials are rigid, making it difficult to manufacture flexible thermoelectric conversion elements that can be processed into shapes that are not flat. In addition, inorganic thermoelectric conversion materials generally have a high specific gravity, which poses the issue of the weight being easily increased when elements are combined into a module.

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、軽量である上に優れた成型性を有し、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 to this, research is underway into thermoelectric conversion elements that use organic materials instead of conventional inorganic materials. Organic materials are lightweight, have excellent moldability, and are more flexible than inorganic materials, making them highly versatile within the temperature range in which they do not decompose. In addition, they are more advantageous than inorganic materials in terms of manufacturing energy and costs, as they can be easily produced using printing techniques, etc.

例えば、特許文献1には、有機色素骨格を有する高分子分散剤とカーボンナノチューブ(CNT)とを含有する熱電変換材料およびそれを用いた熱電変換素子が開示されている。また、特許文献2には、キャリア輸送特性を有する多環芳香族環とアルキル基を含む置換基とが結合した導電性化合物を含む熱電変換材料およびそれを用いた熱電変換素子が開示されている。しかしながら、特許文献1の発明では、熱電変換素子として十分な性能が得られてはいなかった。また、特許文献2の発明では、導電率が10-8~10-7S/cmと低く、熱電変換素子として実用的な値を得ることができていない。 For example, Patent Document 1 discloses a thermoelectric conversion material containing a polymer dispersant having an organic dye skeleton and carbon nanotubes (CNTs) and a thermoelectric conversion element using the same. Patent Document 2 discloses a thermoelectric conversion material containing a conductive compound in which a polycyclic aromatic ring having carrier transport properties and a substituent containing an alkyl group are bonded, and a thermoelectric conversion element using the same. However, the invention of Patent Document 1 does not provide sufficient performance as a thermoelectric conversion element. Furthermore, the invention of Patent Document 2 has a low conductivity of 10 -8 to 10 -7 S/cm, and is unable to provide a practical value as a thermoelectric conversion element.

国際公開第2015/050113号International Publication No. 2015/050113 国際公開第2015/129877号International Publication No. 2015/129877

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、19頁Takenobu Kajikawa, "Thermoelectric Conversion Technology Handbook (First Edition)", NTS Publishing, p. 19

本発明が解決しようとする課題は、基材に対する塗工適性に優れ、熱電変換性能と導電性とを両立できる熱電変換材料を提供することである。また、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 that the present invention aims to solve is to provide a thermoelectric conversion material that has excellent suitability for coating on substrates and can achieve both thermoelectric conversion performance and electrical conductivity. It is also to provide a thermoelectric conversion element that exhibits excellent thermoelectric performance.

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、重合体(A)と、導電性材料(B)とを含む熱電変換材料であって、重合体(A)が、(メタ)アクリロニトリルに由来する単量体単位、ならびに活性水素基含有単量体、塩基性単量体および(メタ)アクリル酸アルキルエステルからなる群より選択される1種以上の単量体単位を含み、(メタ)アクリロニトリルに由来する単量体単位を40質量%以上100質量%未満含む共重合体であることを特徴とする熱電変換材料に関する。 The present inventors have conducted intensive research to solve the above problems, and have arrived at the present invention. That is, the present invention relates to a thermoelectric conversion material comprising a polymer (A) and a conductive material (B), characterized in that the polymer (A) is a copolymer that contains monomer units derived from (meth)acrylonitrile, as well as one or more monomer units selected from the group consisting of active hydrogen group-containing monomers, basic monomers, and (meth)acrylic acid alkyl esters, and contains 40% by mass or more but less than 100% by mass of monomer units derived from (meth)acrylonitrile.

また、本発明は、重合体(A)が、活性水素基含有単量体単位を含み、活性水素基含有単量体単位が、水酸基含有単量体および/またはカルボキシル基含有単量体に由来する単量体単位を含むことを特徴とする上記熱電変換材料に関する。 The present invention also relates to the above thermoelectric conversion material, characterized in that the polymer (A) contains active hydrogen group-containing monomer units, and the active hydrogen group-containing monomer units contain monomer units derived from a hydroxyl group-containing monomer and/or a carboxyl group-containing monomer.

また、本発明は、重合体(A)中、水酸基含有単量体に由来する単量体およびカルボキシル基含有単量体に由来する単量体単位を合計1~25質量%含むことを特徴とする上記熱電変換材料に関する。 The present invention also relates to the above thermoelectric conversion material, characterized in that polymer (A) contains a total of 1 to 25 mass % of monomer units derived from a hydroxyl group-containing monomer and monomer units derived from a carboxyl group-containing monomer.

また、本発明は、更に、無機金属塩、無機塩基および有機塩基からなる群から選ばれる少なくとも一種を含むことを特徴とする上記熱電変換材料に関する。 The present invention also relates to the above thermoelectric conversion material, which further comprises at least one selected from the group consisting of inorganic metal salts, inorganic bases, and organic bases.

また、本発明は、重合体(A)の含有率が、前記導電材料(B)の全量に対して5~100質量%であることを特徴とする上記熱電変換材料に関する。 The present invention also relates to the above thermoelectric conversion material, characterized in that the content of the polymer (A) is 5 to 100 mass % relative to the total amount of the conductive material (B).

また、本発明は、上記熱電変換材料を含んでなる熱電変換膜と、電極とを有し、前記熱電変換膜と前記電極とが、電気的に接続されていることを特徴とする熱電変換素子に関する。 The present invention also relates to a thermoelectric conversion element having a thermoelectric conversion film containing the above-mentioned thermoelectric conversion material and electrodes, the thermoelectric conversion film and the electrodes being electrically connected.

本発明により、基材に対する塗工適性に優れ、ゼーベック係数と導電性との両立を達成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。 The present invention can provide a thermoelectric conversion material that has excellent suitability for application to substrates and achieves both a high Seebeck coefficient and electrical conductivity. In addition, the material can be used 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 a 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 the electromotive force of a thermoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施形態について説明する。尚、本明細書では、「(メタ)アクリル」、「(メタ)アクリロイル」、「(メタ)アクリル酸」、「(メタ)アクリレート」、および「(メタ)アクリロイルオキシ」と表記した場合には、特に説明がない限り、それぞれ、「アクリルまたはメタクリル」、「アクリロイルまたはメタクリロイル」、「アクリル酸またはメタクリル酸」、「アクリレートまたはメタクリレート」および「アクリロイルオキシまたはメタクリロイルオキシ」を表すものとする。 The following describes an embodiment of the present invention. In this specification, unless otherwise specified, the terms "(meth)acrylic", "(meth)acryloyl", "(meth)acrylic acid", "(meth)acrylate", and "(meth)acryloyloxy" refer to "acrylic or methacrylic", "acryloyl or methacryloyl", "acrylic acid or methacrylic acid", "acrylate or methacrylate", and "acryloyloxy or methacryloyloxy", respectively.

<熱電変換材料>
本発明の熱電変換材料は、重合体(A)と導電性材料(B)とを含むことを特徴とし、高いゼーベック係数と導電性とを両立し、優れた熱電性能を発揮することができる。これは、熱励起した重合体(A)内で発生した正孔または電子(キャリア)が導電性材料(B)へと移動することによるゼーベック向上効果が起こったほか、導電性材料(B)の分散性が、重合体(A)の存在により向上したことで、膜中の導電パスが効率よく形成され、キャリアの移動性が向上し、結果として優れた導電性を発現したと考えられる。また、重合体(A)が環状構造を有する場合、重合体(A)と導電性材料(B)との親和性が更に向上し、高い性能を示すことが可能となる。
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 is characterized by containing a polymer (A) and a conductive material (B), and can achieve both a high Seebeck coefficient and electrical conductivity, and can exhibit excellent thermoelectric performance. This is because the Seebeck improvement effect occurs due to the movement of holes or electrons (carriers) generated in the thermally excited polymer (A) to the conductive material (B), and the dispersibility of the conductive material (B) is improved due to the presence of the polymer (A), so that a conductive path in the film is efficiently formed, the mobility of the carriers is improved, and as a result, excellent electrical conductivity is expressed. In addition, when the polymer (A) has a cyclic structure, the affinity between the polymer (A) and the conductive material (B) is further improved, making it possible to exhibit high performance.
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.

<重合体(A)>
重合体(A)は、(メタ)アクリロニトリルに由来する単量体単位と、活性水素基含有単量体、塩基性単量体、および(メタ)アクリル酸アルキルエステルからなる群より選択される1種以上の単量体に由来する単位とを含む共重合体である。
<Polymer (A)>
The polymer (A) is a copolymer containing a monomer unit derived from (meth)acrylonitrile and a unit derived from one or more monomers selected from the group consisting of an active hydrogen group-containing monomer, a basic monomer, and an alkyl (meth)acrylate ester.

重合体(A)は、ランダム重合、ブロック重合いずれの方法でも合成できる。重合体(A)は、(メタ)アクリロニトリルに由来する単位を40質量%以上含有する。非水素結合性のシアノ基の強い分極と重合体主鎖の炭素鎖が導電性材料(B)への吸着性と分散媒への親和性を高め、導電性材料(B)の分散剤として機能し、導電性材料(B)の凝集を抑制し、熱電変換材料中に安定に存在させることができる。 Polymer (A) can be synthesized by either random polymerization or block polymerization. Polymer (A) contains 40% by mass or more of units derived from (meth)acrylonitrile. The strong polarization of the non-hydrogen-bonding cyano group and the carbon chain of the polymer main chain increase the adsorptivity to the conductive material (B) and affinity to the dispersion medium, functioning as a dispersant for the conductive material (B), suppressing the aggregation of the conductive material (B), and enabling it to exist stably in the thermoelectric conversion material.

<活性水素基含有単量体>
活性水素基含有単量体は、1分子に1つ以上の活性水素基を有していれば、特に限定はない。活性水素基としては、水酸基、カルボキシル基、一級アミノ基、二級アミノ基、メルカプト基等が挙げられる。ここで、「一級アミノ基」とは、-NH2(アミノ基)を意味し、「二級アミノ基」とは、一級アミノ基上の一つの水素原子がアルキル基等の有機残基で置換された基を意味する。ただし、酸アミド中の一級アミノ基および二級アミノ基は、本明細書では、活性水素基ではないものとする。また、カルボキシル基二つが脱水縮合した構造を有する基である「-C(=O)-O-C(=O)-」(本明細書では「酸無水物基」と称することとする)も、加水分解によりカルボキシル基を形成するため、本明細書では、活性水素基とみなすこととする。
<Active hydrogen group-containing monomer>
The active hydrogen group-containing monomer is not particularly limited as long as it has one or more active hydrogen groups per molecule. Examples of active hydrogen groups include hydroxyl groups, carboxyl groups, primary amino groups, secondary amino groups, and mercapto groups. Here, the term "primary amino group" refers to -NH 2 (amino group), and the term "secondary amino group" refers to a group in which one hydrogen atom on a primary amino group is substituted with an organic residue such as an alkyl group. However, in this specification, the primary amino group and the secondary amino group in an acid amide are not considered to be active hydrogen groups. In addition, "-C(=O)-O-C(=O)-" (referred to as "acid anhydride group" in this specification), which is a group having a structure in which two carboxyl groups are dehydrated and condensed, is also considered to be an active hydrogen group in this specification, since it forms a carboxyl group by hydrolysis.

水酸基含有単量体としては、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、3-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート等のヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート、グリセロールモノ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンモノ(メタ)アクリレート等のポリヒドロキシ(メタ)アクリレート、その他、2-ヒドロキシ-3-フェノキシプロピルアクリレート、4-ヒドロキシビニルベンゼン等が挙げられる。また、上記水酸基含有単量体のカプロラクトン付加物(付加モル数1~5)等が挙げられる。 Examples of hydroxyl group-containing monomers include hydroxyalkyl (meth)acrylates such as 2-hydroxyethyl (meth)acrylate, 3-hydroxypropyl (meth)acrylate, and 4-hydroxybutyl (meth)acrylate, polyhydroxy (meth)acrylates such as glycerol mono(meth)acrylate and trimethylolpropane mono(meth)acrylate, and others such as 2-hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate and 4-hydroxyvinylbenzene. Other examples include caprolactone adducts (addition mole number 1 to 5) of the above hydroxyl group-containing monomers.

カルボキシル基含有単量体としては、例えば、(メタ)アクリル酸、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、シトラコン酸等の不飽和脂肪酸、2-(メタ)アクリロイルオキシエチルフタレート、2-(メタ)アクリロイルオキシプロピルフタレート、2-(メタ)アクリロイルオキシエチルヘキサヒドロフタレート、2-(メタ)アクリロイルオキシプロピルヘキサヒドロフタレート、エチレンオキサイド変性コハク酸(メタ)アクリレート、β-カルボキシエチル(メタ)アクリレート等のカルボキシル基含有(メタ)アクリレート等が挙げられる。また、上記水酸基含有単量体の多量体である無水マレイン酸、無水イタコン酸、無水シトラコン酸等の酸無水物基含有単量体およびその単官能アルコール付加体等が挙げられる。 Examples of carboxyl group-containing monomers include unsaturated fatty acids such as (meth)acrylic acid, crotonic acid, itaconic acid, maleic acid, fumaric acid, and citraconic acid, 2-(meth)acryloyloxyethyl phthalate, 2-(meth)acryloyloxypropyl phthalate, 2-(meth)acryloyloxyethyl hexahydrophthalate, 2-(meth)acryloyloxypropyl hexahydrophthalate, ethylene oxide-modified succinic acid (meth)acrylate, and carboxyl group-containing (meth)acrylate such as β-carboxyethyl (meth)acrylate. In addition, examples include acid anhydride group-containing monomers such as maleic anhydride, itaconic anhydride, and citraconic anhydride, which are polymers of the above hydroxyl group-containing monomers, and monofunctional alcohol adducts thereof.

一級アミノ基含有単量体としては、アミノメチル(メタ)アクリレート、アミノエチル(メタ)アクリレート、アリルアミン塩酸塩、二水素アリルアミンリン酸塩、2-イソプロペニルアニリン、3-ビニルアニリン、4-ビニルアニリン等が挙げられる。 Primary amino group-containing monomers include aminomethyl (meth)acrylate, aminoethyl (meth)acrylate, allylamine hydrochloride, dihydrogen allylamine phosphate, 2-isopropenylaniline, 3-vinylaniline, 4-vinylaniline, etc.

二級アミノ基含有単量体としては、N-メチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N-エチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N-t-ブチルアミノエチル(メタ)アクリレート等が挙げられる。 Secondary amino group-containing monomers include N-methylaminoethyl (meth)acrylate, N-ethylaminoethyl (meth)acrylate, and N-t-butylaminoethyl (meth)acrylate.

メルカプト基含有単量体としては、例えば、アクリル酸2-(メルカプトアセトキシ)エチル、アリルメルカプタン等が挙げられる。 Examples of mercapto group-containing monomers include 2-(mercaptoacetoxy)ethyl acrylate and allyl mercaptan.

活性水素基含有単量体の内、原料の入手しやすさ、取り扱いやすさ、後述する分散媒との親和性等の観点から、水酸基含有単量体およびカルボキシル基含有単量体が好ましい。水酸基含有単量体としては、ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートが好ましく、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートがより好ましく、ヒドロキシエチルアクリレートがさらに好ましい。また、カルボキシル基含有単量体としては、不飽和脂肪酸が好ましく、(メタ)アクリル酸がより好ましく、アクリル酸がさらに好ましい。 Among the active hydrogen group-containing monomers, hydroxyl group-containing monomers and carboxyl group-containing monomers are preferred from the viewpoints of availability of raw materials, ease of handling, affinity with the dispersion medium described below, and the like. As the hydroxyl group-containing monomer, hydroxyalkyl (meth)acrylate is preferred, hydroxyethyl (meth)acrylate is more preferred, and hydroxyethyl acrylate is even more preferred. As the carboxyl group-containing monomer, unsaturated fatty acid is preferred, (meth)acrylic acid is more preferred, and acrylic acid is even more preferred.

重合体(A)は、構成単位として活性水素基含有単量体を含むことが好ましい。また、重合体(A)が、構成単位として活性水素基含有単量体を含む場合には、活性水素基含有単量体が、水酸基含有単量体および/またはカルボキシル基含有単量体を含むことが好ましい。この場合、水酸基含有単量体およびカルボキシル基含有単量体の合計が、重合体(A)を構成する全単量体単位中、1~25質量%含まれることが好ましく、10~25質量%含まれることがより好ましい。この範囲で含まれると、導電性材料(B)や分散媒との親和性がさらに高まり、塗工適性がより向上することが期待できる。 It is preferable that polymer (A) contains an active hydrogen group-containing monomer as a constituent unit. In addition, when polymer (A) contains an active hydrogen group-containing monomer as a constituent unit, it is preferable that the active hydrogen group-containing monomer contains a hydroxyl group-containing monomer and/or a carboxyl group-containing monomer. In this case, the total of the hydroxyl group-containing monomer and the carboxyl group-containing monomer is preferably contained in an amount of 1 to 25 mass% of the total monomer units constituting polymer (A), and more preferably 10 to 25 mass%. When contained in this range, it is expected that the affinity with conductive material (B) and the dispersion medium will be further increased, and the coating suitability will be further improved.

<塩基性単量体>
塩基性単量体は、塩基性基を有する単量体である。ただし、塩基性単量体は、上記活性水素基含有単量体以外の単量体である。
<Basic Monomer>
The basic monomer is a monomer having a basic group, provided that the basic monomer is a monomer other than the above-mentioned active hydrogen group-containing monomer.

例えば、N,N-ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N-ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレート等のN,N-ジアルキルアミノアルキル(メタ)アクリレート類;
(メタ)アクリルアミド、N,N-ジエチル(メタ)アクリルアミド、N-イソプロピル(メタ)アクリルアミド等のN,N-ジアルキル(メタ)アクリルアミド類;
アクリロイルモルホリン等の環状(メタ)アクリルアミド類;
1-ビニルピリジン、4-ビニルピリジン、1-ビニルイミダゾール等の複素環式芳香族アミン含有ビニル単量体類;
N-フェニルマレイミド、N-シクロヘキシルマレイミド、等のN-置換マレイミド類;
等が挙げられる。
For example, N,N-dialkylaminoalkyl (meth)acrylates such as N,N-dimethylaminoethyl (meth)acrylate and N,N-dimethylaminopropyl (meth)acrylate;
N,N-dialkyl(meth)acrylamides such as (meth)acrylamide, N,N-diethyl(meth)acrylamide, and N-isopropyl(meth)acrylamide;
Cyclic (meth)acrylamides such as acryloylmorpholine;
Heterocyclic aromatic amine-containing vinyl monomers such as 1-vinylpyridine, 4-vinylpyridine, 1-vinylimidazole, etc.;
N-substituted maleimides such as N-phenylmaleimide and N-cyclohexylmaleimide;
etc.

塩基性単量体の内、原料の入手のしやすさ、取り扱いやすさ、後述する分散媒との親和性の観点から、N,N-ジアルキルアミノアルキル(メタ)アクリレートが好ましく、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレートがより好ましく、ジメチルアミノエチルアクリレートがさらに好ましい。 Among the basic monomers, from the viewpoints of availability of raw materials, ease of handling, and affinity with the dispersion medium described below, N,N-dialkylaminoalkyl (meth)acrylate is preferred, dimethylaminoethyl (meth)acrylate and dimethylaminopropyl (meth)acrylate are more preferred, and dimethylaminoethyl acrylate is even more preferred.

<(メタ)アクリル酸アルキルエステル>
次に、(メタ)アクリル酸アルキルエステルについて説明する。本明細書における「(メタ)アクリル酸アルキルエステル」とは、(メタ)アクリル酸のアルキルエステルに加えて、(メタ)アクリル酸アルキルエステル中のアルキル基が、芳香環、フッ素原子、エポキシ基、シリルエーテル基、アルキレングリコールモノアルキルエーテル基、環化重合性基等で置換されたものも含む。また、(メタ)アクリル酸アルキルエステル中のアルキル基がシクロアルキル基等の脂肪族環状炭化水素基に置き換わった(メタ)アクリル酸エステルも含む。ただし、(メタ)アクリル酸アルキルエステルは、上記活性水素基含有単量体および塩基性単量体以外の単量体である。
<(Meth)acrylic acid alkyl ester>
Next, the (meth)acrylic acid alkyl ester will be described. In this specification, the term "(meth)acrylic acid alkyl ester" includes not only alkyl esters of (meth)acrylic acid, but also (meth)acrylic acid alkyl esters in which the alkyl group in the alkyl ester is substituted with an aromatic ring, a fluorine atom, an epoxy group, a silyl ether group, an alkylene glycol monoalkyl ether group, a cyclic polymerizable group, or the like. It also includes (meth)acrylic acid esters in which the alkyl group in the alkyl ester is substituted with an aliphatic cyclic hydrocarbon group such as a cycloalkyl group. However, the (meth)acrylic acid alkyl ester is a monomer other than the above-mentioned active hydrogen group-containing monomer and basic monomer.

例えば、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル等の直鎖アルキル基含有(メタ)アクリル酸エステル類;
(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸イソステアリル等の分岐アルキル基含有(メタ)アクリル酸エステル類;
(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸イソボルニル等の脂肪族環状炭化水素基含有(メタ)アクリル酸エステル類;
(メタ)アクリル酸ベンジル、(メタ)アクリル酸フェノキシエチル等の芳香環で置換された(メタ)アクリル酸アルキルエステル類;
(メタ)アクリル酸トリフルオロエチル、(メタ)アクリル酸テトラフルオロプロピル等のフッ素原子で置換された(メタ)アクリル酸アルキルエステル類;
(メタ)アクリル酸グリシジル、(メタ)アクリル酸(3-エチルオキセタン-3-イル)メチル等のエポキシ基で置換された(メタ)アクリル酸アルキルエステル類;
3-メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン等のシリルエーテル基で置換された(メタ)アクリル酸アルキルエステル類;
(メタ)アクリル酸2-メトキシエチル、(メタ)アクリル酸ポリエチレングリコールモノメチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル基が置換された(メタ)アクリル酸アルキルエステル類;
2-(アリルオキシメチル)アクリル酸メチル等の環化重合性単量体類;
等が挙げられる。
For example, linear alkyl group-containing (meth)acrylic acid esters such as methyl (meth)acrylate and ethyl (meth)acrylate;
(meth)acrylic acid esters containing a branched alkyl group, such as 2-ethylhexyl (meth)acrylate and isostearyl (meth)acrylate;
(meth)acrylic acid esters containing an aliphatic cyclic hydrocarbon group, such as cyclohexyl (meth)acrylate and isobornyl (meth)acrylate;
(meth)acrylic acid alkyl esters substituted with an aromatic ring, such as benzyl (meth)acrylate and phenoxyethyl (meth)acrylate;
Fluorine atom-substituted (meth)acrylic acid alkyl esters, such as trifluoroethyl (meth)acrylate and tetrafluoropropyl (meth)acrylate;
Epoxy-substituted (meth)acrylic acid alkyl esters, such as glycidyl (meth)acrylate and (3-ethyloxetan-3-yl)methyl (meth)acrylate;
(Meth)acrylic acid alkyl esters substituted with a silyl ether group, such as 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane;
(meth)acrylic acid alkyl esters substituted with an alkylene glycol monoalkyl ether group, such as 2-methoxyethyl (meth)acrylate and polyethylene glycol monomethyl ether (meth)acrylate;
Cyclopolymerizable monomers such as methyl 2-(allyloxymethyl)acrylate;
etc.

(メタ)アクリル酸アルキルエステルの内、原料の入手のしやすさ、取り扱いやすさ、後述する分散媒との親和性の観点から、直鎖または分岐アルキル基含有(メタ)アクリル酸エステルが好ましい。直鎖アルキル基含有(メタ)アクリル酸エステルとしては、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸ラウリルが好ましく、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸ラウリルがさらに好ましい。また、分岐アルキル基含有(メタ)アクリル酸エステルとしては、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシルが好ましく、アクリル酸2-エチルヘキシルがより好ましい。 Among the (meth)acrylic acid alkyl esters, from the viewpoints of availability of raw materials, ease of handling, and affinity with the dispersion medium described below, linear or branched alkyl group-containing (meth)acrylic acid esters are preferred. As linear alkyl group-containing (meth)acrylic acid esters, ethyl (meth)acrylate, butyl (meth)acrylate, and lauryl (meth)acrylate are preferred, with ethyl acrylate, butyl acrylate, and lauryl acrylate being more preferred. As branched alkyl group-containing (meth)acrylic acid esters, 2-ethylhexyl (meth)acrylate is preferred, with 2-ethylhexyl acrylate being more preferred.

重合体(A)は、上記単量体以外のその他単量体を構成単位として含んでも良い。その他単量体としては、
スチレン、α-メチルスチレン等のスチレン類;
エチルビニルエーテル、n-プロピルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテル、n-ブチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等のビニルエーテル類;
酢酸ビニル、ピロピオン酸ビニル等の脂肪酸ビニル類;
テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、3-メチルオキセタニル(メタ)アクリレート等の複素環式(メタ)アクリレート類;等が挙げられる。
The polymer (A) may contain other monomers as constituent units other than the above monomers. Examples of the other monomers include:
Styrenes such as styrene and α-methylstyrene;
Vinyl ethers such as ethyl vinyl ether, n-propyl vinyl ether, isopropyl vinyl ether, n-butyl vinyl ether, and isobutyl vinyl ether;
vinyl fatty acid vinyl compounds such as vinyl acetate and vinyl propionate;
heterocyclic (meth)acrylates such as tetrahydrofurfuryl (meth)acrylate, 3-methyloxetanyl (meth)acrylate, etc.; and the like.

熱電変換材料を製造する際に後述する分散媒を使用することができるが、重合体(A)を構成する単量体としては、分散媒として水を使用する場合には、カルボキシル基含有単量体を含有することが好ましく、分散媒としてN-メチルピロリドン(「NMP」と略記することがある)を使用する場合には、水酸基含有単量体を含有することが好ましい。 When producing the thermoelectric conversion material, a dispersion medium as described below can be used. When water is used as the dispersion medium, the monomer constituting polymer (A) preferably contains a carboxyl group-containing monomer, and when N-methylpyrrolidone (sometimes abbreviated as "NMP") is used as the dispersion medium, it preferably contains a hydroxyl group-containing monomer.

重合体(A)の製造方法は、特に限定はされず、例えば、溶解重合法、懸濁重合法、塊状重合法、乳化重合法、沈殿重合等のいずれの方法を用いてもよく、溶解重合または沈殿重合法が好ましく、沈殿重合法が最も好ましい。沈殿重合法によって得られた重合体(A)は重合時に使用する溶媒に溶解する低分子量成分や残存単量体を重合後速やかに除去できるため、分子量分布を狭く制御することが可能で、残存単量体量も限りなく低減でき、分散剤として機能する分子量の重合体(A)を効率的に得ることができる。重合反応系としては、イオン重合、フリーラジカル重合、リビングラジカル重合等の付加重合を用いることができ、フリーラジカル重合またはリビングラジカル重合が好ましい。また、ラジカル重合開始剤としては、過酸化物、アゾ系開始剤などから選ばれた化合物またはそれらの混合物が使用でき、必要に応じて連鎖移動剤等の分子量調整剤を使用してもよい。 The method for producing the polymer (A) is not particularly limited, and may be any of, for example, solution polymerization, suspension polymerization, bulk polymerization, emulsion polymerization, precipitation polymerization, etc., with solution polymerization or precipitation polymerization being preferred, and precipitation polymerization being most preferred. The polymer (A) obtained by the precipitation polymerization method can be quickly removed after polymerization from low molecular weight components and residual monomers that dissolve in the solvent used during polymerization, making it possible to narrowly control the molecular weight distribution, and the amount of residual monomers can be reduced as much as possible, making it possible to efficiently obtain a polymer (A) with a molecular weight that functions as a dispersant. As the polymerization reaction system, addition polymerization such as ionic polymerization, free radical polymerization, and living radical polymerization can be used, with free radical polymerization or living radical polymerization being preferred. In addition, as the radical polymerization initiator, a compound selected from peroxides, azo-based initiators, etc., or a mixture thereof can be used, and a molecular weight regulator such as a chain transfer agent may be used as necessary.

重合体(A)は、(メタ)アクリロニトリルに由来する単位を、40質量%以上100質量%未満含む。65質量%以上95質量%以下含有することが好ましく、75質量%以上95質量%以下含有することがより好ましい。(メタ)アクリロニトリルに由来する単位を上記範囲で含有することで導電性材料(B)への吸着性、分散媒への親和性をコントロールすることができる。 The polymer (A) contains 40% by mass or more and less than 100% by mass of units derived from (meth)acrylonitrile. It preferably contains 65% by mass or more and 95% by mass or less, and more preferably 75% by mass or more and 95% by mass or less. By containing units derived from (meth)acrylonitrile in the above range, it is possible to control the adsorptivity to the conductive material (B) and the affinity to the dispersion medium.

また、重合体(A)の分子量は、ポリスチレン換算の重量平均分子量で、3000以上500000以下の範囲が好ましく、4000以上200000以下の範囲がより好ましく、5000以上50000以下の範囲がさらに好ましい。重量平均分子量を上記範囲内とすることで、導電性材料(B)への吸着性や分散媒への親和性を良好に得ることができる。 The molecular weight of the polymer (A), in terms of polystyrene equivalent weight average molecular weight, is preferably in the range of 3,000 to 500,000, more preferably in the range of 4,000 to 200,000, and even more preferably in the range of 5,000 to 50,000. By setting the weight average molecular weight within the above range, it is possible to obtain good adsorption to the conductive material (B) and good affinity to the dispersion medium.

重合体(A)は、(メタ)アクリロニトリルに由来する単量体単位の一部が、環状構造に変化した構造を有すると、熱電変換材料の特性がより向上する。アクリロニトリルに由来する単位は、アルカリで処理すると、水素化ナフチリジン環等の環状構造へと変化する。この環化反応の詳細なメカニズムは明らかとなっていないが、このような環状構造を有することで、熱電変換材料の特性が向上する。これは、環状構造を有することで、導電性材料(B)への重合体(A)の吸着性が高まり、重合体(A)から導電性材料(B)へのキャリア移動が起こりやすくなるものと推察される。 When polymer (A) has a structure in which some of the monomer units derived from (meth)acrylonitrile are changed into a cyclic structure, the properties of the thermoelectric conversion material are further improved. When treated with alkali, the units derived from acrylonitrile are changed into a cyclic structure such as a hydrogenated naphthyridine ring. Although the detailed mechanism of this cyclization reaction is not clear, the properties of the thermoelectric conversion material are improved by having such a cyclic structure. This is presumably because the cyclic structure increases the adsorption of polymer (A) to conductive material (B), facilitating carrier transfer from polymer (A) to conductive material (B).

<導電性材料(B)>
導電性材料(B)は、導電性向上に寄与するものである。そのため、導電性材料(B)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。
導電性材料(B)は、導電性を有する材料(炭素材料、金属材料、導電性高分子等)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、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)等が挙げられる。
金属材料としては、例えば、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、ガリウムおよび白金等の金属粉、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、前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(錫ドープ酸化インジウム)、AZO(アルミドープ酸化亜鉛)、および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る。導電性高分子としては、例えば、PEDOT/PSS(ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)とポリスチレンスルホン酸から成る複合物)、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。
使用する導電性材料の種類は1種でもよいし、2種以上を組み合せて使用しても良い。
<Conductive Material (B)>
The conductive material (B) contributes to improving the electrical conductivity, and therefore, the electrical conductivity can be improved by increasing the content of the conductive material (B).
The conductive material (B) is not particularly limited as long as it is a material having conductivity (such as a carbon material, a metal material, or a conductive polymer). For example, examples of the carbon material include graphite, carbon nanotubes, carbon black, and graphene (including graphene nanoplates).
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 alloys and composite powders of ZnSe, CdS, InP, GaN, SiC, and SiGe. Examples of metal materials include fine particles coated with a material different from the core material, specifically, for example, silver-coated copper powder, which has a core material of copper and is coated with silver. Examples of metal oxide powders include 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), as well as powders surface-coated with these metal oxides. Examples of conductive polymers include PEDOT/PSS (a composite of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) and polystyrenesulfonic acid), polyaniline, polyacetylene, polypyrrole, polythiophene, and polyparaphenylene.
The conductive material may be used alone or in combination of two or more kinds.

導電性材料(B)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 (B) is not particularly limited, and amorphous, aggregated, scaly, microcrystalline, spherical, flake, wire, etc. can be used as appropriate.

ゼーベック係数と導電性との両立の観点で、カーボンナノチューブ、カーボンブラックおよびグラフェン(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一種であることが好ましく、より好ましくはカーボンナノチューブであり、さらに好ましくは単層カーボンナノチューブある。 From the viewpoint of achieving both a high Seebeck coefficient and electrical conductivity, it is preferable that the material is at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon black, and graphene (including graphene nanoplates), more preferably carbon nanotubes, and even more preferably single-walled carbon nanotubes.

炭素材料としては、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。 Examples of carbon materials include flaky graphite, such as 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, and F manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd. Examples of the natural graphite include BF-3AK, FBF, BF-15AK, CBR, CPB-6S, CPB-3, 96L, 96L-3, K-3, SC-120, SC-60, HLP, CP-150, and SB-1 manufactured by Chuetsu Graphite Co., Ltd., EC1500, EC1000, EC500, EC300, EC100, and EC50 manufactured by Ito Graphite Co., Ltd., 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 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。 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, 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.

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、500
0ULTRA、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 Toka Black #4300, #4400, #4500, and #5500 manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd., Printex L manufactured by Degussa Co., Ltd., and Raven 7000, 5750, 5250, 5000 ULTRA III, and 500 manufactured by Columbian Co., Ltd.
0ULTRA, Conductex SC ULTRA, 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.

また、重合体(A)は、熱電変換材料中で導電性材料(B)の分散、およびゼーベック係数の向上に寄与する。重合体(A)の含有量を増やすことで分散性およびゼーベック係数を向上させることができるが、一般的には、導電性材料(B)以外の成分の含有量を増やしすぎると、絶電性も増して導電性が低下する恐れがある。本発明の重合体(A)は、導電性材料(B)の分散性を向上させることができ、材料中の導電パスを阻害しにくいという特徴を有しているが、ゼーベック係数と導電性との両立の観点から、前記重合体(A)の含有量は、前記導電性材料(B)の全量に対して、上限が、400質量%以下が好ましく、200質量%以下がより好ましく、120質量%以下が更に好ましく、100質量%以下が特に好ましい。また、重合体(A)の効果を発揮するために、下限は、5質量%以上が好ましく、20質量%以上がより好ましい。 The polymer (A) also contributes to the dispersion of the conductive material (B) in the thermoelectric conversion material and the improvement of the Seebeck coefficient. By increasing the content of the polymer (A), the dispersibility and the Seebeck coefficient can be improved, but generally, if the content of components other than the conductive material (B) is increased too much, the insulating property may also increase and the conductivity may decrease. The polymer (A) of the present invention has the characteristic that it can improve the dispersibility of the conductive material (B) and is unlikely to inhibit the conductive path in the material, but from the viewpoint of achieving both the Seebeck coefficient and the conductivity, the content of the polymer (A) is preferably 400% by mass or less, more preferably 200% by mass or less, even more preferably 120% by mass or less, and particularly preferably 100% by mass or less, relative to the total amount of the conductive material (B). In order to exert the effect of the polymer (A), the lower limit is preferably 5% by mass or more, more preferably 20% by mass or more.

本発明の熱電変換材料は、熱電特性を維持する上で、ラジカルを発生する化合物を含有しないことが好ましい。本発明の熱電変換材料は、重合体(A)と前記導電性材料(B)、更に必要に応じて無機金属塩、無機塩基および有機塩基から選ばれる少なくとも一種のみからなることが好ましいが、塗工、膜形成の観点から、必要に応じてその他成分を含んでも良い。 In order to maintain the thermoelectric properties, it is preferable that the thermoelectric conversion material of the present invention does not contain a compound that generates radicals. The thermoelectric conversion material of the present invention preferably consists of only the polymer (A) and the conductive material (B), and if necessary, at least one selected from inorganic metal salts, inorganic bases, and organic bases, but may contain other components if necessary from the viewpoint of coating and film formation.

<無機金属塩、無機塩基、有機塩基>
本発明の熱電変換材料は、無機塩基、無機金属塩、または有機塩基を含有しても良い。これにより、熱電変換材料の経時安定性がより向上する。例えば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の、塩化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、タングステン酸塩、バナジウム酸塩、モリブデン酸塩、ニオブ酸塩、またはホウ酸塩等が挙げられる。尚、無機塩基および無機金属塩が有する金属は、遷移金属であってもよい。
<Inorganic metal salts, inorganic bases, organic bases>
The thermoelectric conversion material of the present invention may contain an inorganic base, an inorganic metal salt, or an organic base. This improves the stability of the thermoelectric conversion material over time. For example, chlorides, hydroxides, carbonates, nitrates, sulfates, phosphates, tungstates, vanadates, molybdates, niobates, borates, etc. of alkali metals or alkaline earth metals may be mentioned. The metal contained in the inorganic base and the inorganic metal salt may be a transition metal.

アルカリ金属の水酸化物としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。
アルカリ土類金属の水酸化物としては、例えば、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等が挙げられる。
アルカリ金属の炭酸塩としては、例えば、炭酸リチウム、炭酸水素リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられる。
アルカリ土類金属の炭酸塩としては、例えば、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等が挙げられる。
Examples of the alkali metal hydroxide include lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide.
Examples of the hydroxides of alkaline earth metals include calcium hydroxide and magnesium hydroxide.
Examples of the carbonate of an alkali metal include lithium carbonate, lithium hydrogen carbonate, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium carbonate, and potassium hydrogen carbonate.
Examples of the carbonate of an alkaline earth metal include calcium carbonate and magnesium carbonate.

上記の内、容易にカチオンを供給できるという面から、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の、塩化物、水酸化物または炭酸塩が好ましく、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の、水酸化物または炭酸塩がより好ましく、アルカリ金属の、水酸化物または炭酸塩がさらに好ましい。アルカリ金属の水酸化物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウムが好ましい。また、アルカリ金属の炭酸塩としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウムが好ましい。 Of the above, from the viewpoint of easy supply of cations, chlorides, hydroxides, or carbonates of alkali metals or alkaline earth metals are preferred, hydroxides or carbonates of alkali metals or alkaline earth metals are more preferred, and hydroxides or carbonates of alkali metals are even more preferred. As hydroxides of alkali metals, lithium hydroxide and sodium hydroxide are preferred. As carbonates of alkali metals, lithium carbonate and sodium carbonate are preferred.

有機塩基としては、炭素数1~40の一級、二級または三級のアルキルアミンが挙げられる。 Organic bases include primary, secondary, or tertiary alkylamines having 1 to 40 carbon atoms.

炭素数1~40の一級アルキルアミンとしては、プロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、オクチルアミン、2-エチルヘキシルアミン、ラウリルアミン、ステアリルアミン、オレイルアミン、2-アミノエタノール、3-アミノプロパノール、3-エトキシプロピルアミン、3-ラウリルオキシプロピルアミン等が挙げられる。 Primary alkylamines having 1 to 40 carbon atoms include propylamine, butylamine, isobutylamine, octylamine, 2-ethylhexylamine, laurylamine, stearylamine, oleylamine, 2-aminoethanol, 3-aminopropanol, 3-ethoxypropylamine, 3-lauryloxypropylamine, etc.

炭素数1~40の二級アルキルアミンとしては、ジブチルアミン、ジイソブチルアミン、N-メチルヘキシルアミン、ジオクチルアミン、ジステアリルアミン、2-メチルアミノエタノール等が挙げられる。 Secondary alkylamines having 1 to 40 carbon atoms include dibutylamine, diisobutylamine, N-methylhexylamine, dioctylamine, distearylamine, and 2-methylaminoethanol.

炭素数1~40の三級アルキルアミンとしては、トリエチルアミン、トリブチルアミン、N,N-ジメチルブチルアミン、N,N-ジイソプロピルエチルアミン、ジメチルオクチルアミン、トリオクチルアミン、ジメチルデシルアミン、ジメチルラウリルアミン、ジメチルミリスチルアミン、ジメチルパルミチルアミン、ジメチルステアリルアミン、ジラウリルモノメチルアミン、トリエタノールアミン、2-(ジメチルアミノ)エタノール等が挙げられる。 Examples of tertiary alkylamines having 1 to 40 carbon atoms include triethylamine, tributylamine, N,N-dimethylbutylamine, N,N-diisopropylethylamine, dimethyloctylamine, trioctylamine, dimethyldecylamine, dimethyllaurylamine, dimethylmyristylamine, dimethylpalmitylamine, dimethylstearylamine, dilaurylmonomethylamine, triethanolamine, and 2-(dimethylamino)ethanol.

この内、炭素数1~30の一級、二級または三級アルキルアミンが好ましく、炭素数1~20の一級、二級または三級アルキルアミンが更に好ましい。 Of these, primary, secondary or tertiary alkylamines having 1 to 30 carbon atoms are preferred, and primary, secondary or tertiary alkylamines having 1 to 20 carbon atoms are even more preferred.

有機塩基としては、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン-7(DBU)、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノネン-5(DBN)、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(DABCO)、トリ-n-ブチルアミン、ジメチルベンジルアミン、モノエタノールアミン、イミダゾール、1-メチルイミダゾール等の塩基性窒素原子を含有する化合物類を用いても良い。 As organic bases, compounds containing basic nitrogen atoms such as 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undecene-7 (DBU), 1,5-diazabicyclo[4.3.0]nonene-5 (DBN), 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO), tri-n-butylamine, dimethylbenzylamine, monoethanolamine, imidazole, and 1-methylimidazole may be used.

無機塩基、および無機金属塩、有機塩基の配合量は、重合体(A)100質量%に対して、好ましくは1~50質量%である。また、導電性材料(B)100質量%に対して、好ましくは1~20質量%、より好ましくは2~15質量%である。適量配合することで分散性がより向上する。 The amount of inorganic base, inorganic metal salt, and organic base to be blended is preferably 1 to 50% by mass relative to 100% by mass of polymer (A). Also, the amount is preferably 1 to 20% by mass, and more preferably 2 to 15% by mass, relative to 100% by mass of conductive material (B). Blending in appropriate amounts further improves dispersibility.

(分散媒)
分散媒は、前記重合体(A)と導電性材料(B)とを混合する際の媒体として使用することができ、インキもしくはペーストとして印刷、塗工する際の塗工性を向上することができる。使用できる分散媒としては、重合体(A)と導電性材料(B)を溶解または分散できれば、特に限定されず、有機溶剤や水を挙げることができる。分散媒は、一種のみ用いても良いし、2種以上を組み合せて用いても良い。
(Dispersion medium)
The dispersion medium can be used as a medium when mixing the polymer (A) and the conductive material (B), and can improve the applicability when printing or applying as an ink or paste. The dispersion medium that can be used is not particularly limited as long as it can dissolve or disperse the polymer (A) and the conductive material (B), and examples of the dispersion medium that can be used include organic solvents and water. Only one type of dispersion medium may be used, or two or more types may be used in combination.

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、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、エチレングリコール、1,3-プロパンジオール、1,4-ブタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、トリフルオロエタノール、m-クレゾール、およびチオジグリコー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、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。
重合体(A)と導電性材料(B)の分散性や溶解性の観点から、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, diethylene glycol methyl ether, terpineol, dihydroterpineol, 2,4-diethyl-1,5-pentanediol, 1,3-butylene glycol, isobornylcyclohexanol, ethylene glycol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, diethylene glycol, triethylene glycol, glycerin, polyethylene glycol, polypropylene glycol, trifluoroethanol, m-cresol, and thiodiglycol, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone, ethers such as tetrahydrofuran, dioxane, ethylene glycol dimethyl ether, and diethylene glycol dimethyl ether, hydrocarbons such as hexane, heptane, and octane, aromatics such as benzene, toluene, xylene, and cumene, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, and N-methylpyrrolidone. These can be appropriately selected as needed.
From the viewpoint of dispersibility and solubility of the polymer (A) and the conductive material (B), N-methylpyrrolidone is particularly preferred.

(助剤)
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、およびイオン性液体等が挙げられる。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、および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、およびキシリトール等。
アミノアルコール類:ジエタノールアミン、およ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、およ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、および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単量体とを共重合したコポリマー等。
(Auxiliary Agent)
Usable auxiliary agents are not particularly limited, and examples thereof include lactams, alcohols, aminoalcohols, carboxylic acids, acid anhydrides, ionic liquids, etc. Specific examples are as follows.
Lactams: pyrrolidone, caprolactam, N-methylcaprolactam, N-octylpyrrolidone, and the like.
Alcohols: sucrose, glucose, fructose, lactose, sorbitol, mannitol, xylitol, etc.
Amino alcohols: diethanolamine, triethanolamine, and the like.
Carboxylic acids: 2-furancarboxylic acid, 3-furancarboxylic acid, dichloroacetic acid, trifluoroacetic acid, and the like.
Acid anhydrides: acetic anhydride, propionic anhydride, acrylic anhydride, methacrylic anhydride, benzoic anhydride, succinic anhydride, maleic anhydride, itaconic anhydride, glutaric anhydride, phthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, hexahydrophthalic anhydride (also known as cyclohexane-1,2-dicarboxylic anhydride), trimellitic anhydride, hexahydrotrimellitic anhydride, pyromellitic anhydride, himic anhydride, biphenyltetracarboxylic anhydride, 1,2,3,4-butanetetracarboxylic anhydride, naphthalenetetracarboxylic anhydride, and 9,9-fluorenylidenebisphthalic anhydride, etc. Copolymers of maleic anhydride and other vinyl monomers, such as styrene-maleic anhydride copolymer, ethylene-maleic anhydride copolymer, isobutylene-maleic anhydride copolymer, and alkyl vinyl ether-maleic anhydride copolymer.

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%の範囲が更に好ましい。助剤の含有量を0.1質量%以上にすることで、導電性およ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%以下にすることで、膜物性の低下を抑制することができる。 The content of the auxiliary agent is preferably in the range of 0.1 to 30 mass %, more preferably in the range of 1 to 10 mass %, and even more preferably in the range of 1 to 5 mass %, based on the total mass of the thermoelectric conversion material. By making the content of the auxiliary agent 0.1 mass % or more, it is possible to easily obtain the effect of improving the electrical conductivity and thermoelectric properties. Furthermore, by making the content of the auxiliary agent 50 mass % or less, it is possible to suppress the deterioration of the film properties.

(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、導電性および熱で特性に影響しない範囲で、樹脂を含んでもよい。ただし、本明細書でいう樹脂は、上記重合体(A)以外のものである。
樹脂は、熱電変換材料の各成分に相溶または混合分散するものであれば特に制限はなく、例えば、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエステルウレタン樹脂、アルキッド樹脂、ブチラール樹脂、アセタール樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、スチレン-アクリル樹脂、スチレン樹脂、ニトロセルロース、ベンジルセルロース、セルロース(トリ)アセテート、カゼイン、シェラック、ギルソナイト、ゼラチン、スチレン-無水マレイン酸樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、エチレン酢酸ビニル樹脂、塩化ビニル/酢酸ビニル共重合体樹脂、塩化ビニル/酢酸ビニル/マレイン酸共重合体樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイン酸樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、ケトン樹脂、石油樹脂、ロジン、ロジンエステル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルエチルセルロース、カルボキシメチルニトロセルロース、エチレン/ビニルアルコール樹脂、塩素化ポリウレタン樹脂等が挙げられる。これらの樹脂は1種を単独で用いても良く、2種以上を組み合わせて用いることもできる。また、これらの樹脂の共重合体等であっても良い。
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、アクリルアミド樹脂であることが好ましい。
(resin)
The thermoelectric conversion material of the present invention may contain a resin to the extent that the electrical conductivity and thermal properties are not affected, for the purpose of adjusting the film-forming property and film strength, etc. However, the resin referred to in this specification is one other than the polymer (A).
The resin is not particularly limited as long as it is compatible with or disperses in each component of the thermoelectric conversion material, and examples thereof include polyurethane resin, polyester resin, polyester urethane resin, alkyd resin, butyral resin, acetal resin, polyamide resin, acrylic resin, styrene-acrylic resin, styrene resin, nitrocellulose, benzyl cellulose, cellulose (tri)acetate, casein, shellac, Gilsonite, gelatin, styrene-maleic anhydride resin, polybutadiene resin, polyvinyl chloride resin, polyvinylidene chloride resin, polyvinylidene fluoride resin, polyvinyl acetate resin, ethylene vinyl acetate resin, vinyl chloride/vinyl acetate copolymer resin, vinyl chloride/vinyl acetate copolymer resin, and vinyl chloride/vinyl acetate copolymer resin. Examples of the resins include ethylene/maleic acid copolymer resins, fluororesins, silicone resins, epoxy resins, phenoxy resins, phenolic resins, maleic acid resins, urea resins, melamine resins, benzoguanamine resins, ketone resins, petroleum resins, rosin, rosin esters, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, polyacrylamide, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxyethyl methyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, carboxymethyl ethyl cellulose, carboxymethyl nitro cellulose, ethylene/vinyl alcohol resins, and chlorinated polyurethane resins. These resins may be used alone or in combination of two or more. Copolymers of these resins may also be used.
Although there are no particular limitations, in one embodiment, polyurethane resin, polyether resin, acrylic resin, and acrylamide resin are preferable.

樹脂を含む場合、導電性の観点から、樹脂の含有量は、前記重合体(A)と導電性材料(B)との全量を基準として、99質量%以下の範囲が好ましく、50質量%以下の範囲がより好ましく、20質量%以下の範囲がさらに好ましい。 When a resin is contained, from the viewpoint of electrical conductivity, the content of the resin is preferably 99% by mass or less, more preferably 50% by mass or less, and even more preferably 20% by mass or less, based on the total amount of the polymer (A) and the conductive material (B).

(無機熱電変換材料)
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、無機熱電変換材料を含んでも良い。無機熱電変換材料は特に限定されず、一般に熱電変換材料として知られているものを使用できる。例えば、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、LaFe3CoSb12等を挙げることができる。このとき、上記無機熱電変換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。無機熱電変換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。
(Inorganic thermoelectric conversion materials)
The thermoelectric conversion material of the present invention may contain an inorganic thermoelectric conversion material as necessary in order to improve the thermoelectric conversion performance. The inorganic thermoelectric conversion material is not particularly limited, and any material generally known as a thermoelectric conversion material can be used. For example, Bi-(Te,Se)-based, Si-Ge-based, Mg-Si-based, Pb-Te-based, GeTe-AgSbTe-based, (Co,Ir,Ru)-Sb-based, (Ca,Sr,Bi) Co2O5 - based, etc. can be mentioned. More specifically, Bi2Te3 , PbTe , AgSbTe2 , GeTe, Sb2Te3 , NaCo2O4 , CaCoO3 , SrTiO3 , ZnO , SiGe, Mg2Si , FeSi2 , Ba8Si46 , MnSi1.73 , ZnSb, Zn4Sb3 , GeFe3CoSb12 , LaFe3CoSb12 , etc. may be mentioned. In this case, impurities may be added to the inorganic thermoelectric conversion material to control the polarity (p-type, n - type ) and electrical conductivity. When using an inorganic thermoelectric conversion material, the amount of the inorganic thermoelectric conversion material is adjusted within a range that does not affect the film forming property or film strength.

本発明の熱電変換材料の製造方法は特に限定されず、例えば、重合体(A)と導電性材料(B)、もしくは重合体(A)と導電性材料(B)および無機金属塩、無機塩基および有機塩基からなる群から選ばれる少なくとも1種に、分散媒、必要に応じて他の任意成分を撹拌混合することで製造することができる。撹拌混合機としては、特に限定されないが、例えば、ディスパー、ミキサー、混練機、スキャンデックス、ペイントコンディショナー、サンドミル、らいかい機、メディアレス分散機、三本ロール、およびビーズミル等が挙げられる。 The method for producing the thermoelectric conversion material of the present invention is not particularly limited, and can be produced, for example, by stirring and mixing the polymer (A) and the conductive material (B), or the polymer (A), the conductive material (B) and at least one selected from the group consisting of inorganic metal salts, inorganic bases, and organic bases, with a dispersion medium and, if necessary, other optional components. The stirring and mixing machine is not particularly limited, and examples thereof include a disperser, a mixer, a kneader, a scandex, a paint conditioner, a sand mill, a mortar and pestle machine, a media-less disperser, a three-roll mill, and a bead mill.

<熱電変換素子>
本発明の熱電変換素子は、前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、前記熱電変換膜と前記電極とが、電気的に接続されているものである。本発明の熱電変換膜は、導電性および熱電特性に加えて、耐熱性や可撓性の点でも優れる。そのため、高品質な熱電変換素子を容易に作製することができる。
<Thermoelectric conversion element>
The thermoelectric conversion element of the present invention has a thermoelectric conversion film formed using the thermoelectric conversion material and electrodes, and the thermoelectric conversion film and the electrodes are electrically connected. The thermoelectric conversion film of the present invention is excellent in heat resistance and flexibility in addition to electrical conductivity and thermoelectric properties. Therefore, a high-quality thermoelectric conversion element can be easily produced.

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もよい。熱電変換材料は優れた成型性を有するため、塗布または印刷によって良好な膜を得ることが容易である。熱電変換膜の製造方法としては目的とする熱電変換膜を得ることができれば特に限定はなく、熱電変換材料の粘度等の特性や、必要とされる膜厚、面積、形状等の条件に応じて適宜選択することができる。例えば、スピンコート、スプレーコート、ロールコート、グラビアコート、フレキソコート、ダイコート、リップコート、ナイフコート、ブレードコート、コンマコート、ロールコート、カーテンコート、バーコート、ディップコート、ディスペンサー、スクリーンコート、インクジェット印刷等の各種手段を用いた方法が挙げられる。 The thermoelectric conversion film may be a film obtained by applying a thermoelectric conversion material onto a substrate. Since the thermoelectric conversion material has excellent moldability, it is easy to obtain a good film by application or printing. There are no particular limitations on the method for producing the thermoelectric conversion film as long as the desired thermoelectric conversion film can be obtained, and the method can be appropriately selected depending on the properties of the thermoelectric conversion material, such as viscosity, and the required film thickness, area, shape, and other conditions. Examples of methods include spin coating, spray coating, roll coating, gravure coating, flexo coating, die coating, lip coating, knife coating, blade coating, comma coating, roll coating, curtain coating, bar coating, dip coating, dispenser, screen coating, and inkjet printing.

熱電変換膜の膜厚は、特に限定されるものではなく、必要とされる電流値、電圧値、および抵抗等の電気的性質や、熱電特性に応じて設定できるが、後述するように、熱電変換膜の厚さ方向また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。熱電特性や可撓性の点から、熱電変換膜の膜厚は、0.1~200μmの範囲であることが好ましく、1~100μmの範囲が更に好ましく、1~60μmの範囲であることが特に好ましい。 The thickness of the thermoelectric conversion film is not particularly limited and can be set according to the required electrical properties such as current value, voltage value, and resistance, and thermoelectric properties, but as described below, it is preferable that the 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. From the viewpoint of thermoelectric properties and flexibility, the film 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 particularly preferably in the range of 1 to 60 μm.

基材としては、特に制限はないが、不織布、紙、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、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、ポリカーボネート、およ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、またはガラス等を用いることができる。これら基材は、熱電変換材料の水や酸素の影響による劣化を防ぐために、基材表面にアルミ蒸着層やバリア層を有するものであっても良い。 The substrate is not particularly limited, but examples include nonwoven fabric, paper, plastic films made of materials such as polyethylene, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate, polyethersulfone, polypropylene, polyimide, polycarbonate, and cellulose triacetate, and glass. These substrates may have an aluminum deposition layer or a barrier layer on the substrate surface to prevent deterioration of the thermoelectric conversion material due to the effects of water and oxygen.

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もできる。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、または易接着処理を行うこともできる。 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 can be performed.

本発明の熱電変換膜は、前述のように基材上に熱電変換膜を作製した基材と熱電変換膜との積層膜であってもよく、基材を有さない自立膜であってもよい。自立膜を作製する場合には、特に制限はないが、例えば、剥離性シート上に熱電変換膜を形成した後に、剥離コートを除去することで得ることができる。 The thermoelectric conversion film of the present invention may be a laminated film of a substrate in which the thermoelectric conversion film is formed on the substrate as described above, or may be a free-standing film without a substrate. When a free-standing film is to be formed, there is no particular restriction, but it can be obtained, for example, by forming a thermoelectric conversion film on a release sheet and then removing the release coat.

剥離性シートとしては、例えば、ポリエステルフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、およびポリイミドフィルム等のプラスチックフィルムに離型処理したもの等が挙げられる。 Examples of release sheets include plastic films such as polyester film, polyethylene film, polypropylene film, and polyimide film that have been subjected to a release treatment.

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。熱電変換素子のより具体的な構成、およ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 above-mentioned thermoelectric conversion material. A more specific configuration of the thermoelectric conversion element and its manufacturing method will be described below.

熱電変換素子は、熱電変換膜と電極とが電気的に接続している。ここで、「電気的に接続する」とは、互いに接合しているか、またはワイヤー等の他の構成部分を介して通電できる状態であることを意味する。 In a thermoelectric conversion element, the thermoelectric conversion film and the electrodes are electrically connected. Here, "electrically connected" means that they are joined together or can conduct electricity through other components such as wires.

電極の材料は、電極として働くものであれば特に制限はないが、金属、合金、およ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、導電率が高く、熱電変換膜の接触抵抗が低いほうが好ましいことから、金属および合金が好ましい。例えば、金、銀、銅、白金、ニッケル、およ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。電極は銀を含むものがさらに好ましい。 The material of the electrode is not particularly limited as long as it functions as an electrode, but 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 of the thermoelectric conversion film. For example, it is preferred that the electrode contains at least one selected from the group consisting of gold, silver, copper, platinum, nickel, and aluminum. It is even more preferred that the electrode contains silver.

電極の形成方法は特に限定されず、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。プロセスの簡便さの観点から、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 method for forming the electrodes is not particularly limited, and they can be formed by methods such as vacuum deposition, 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 process simplicity, methods using thermocompression bonding of an electrode material foil or a film having an electrode material film, or application of a paste in which the electrode material is dispersed are preferred.

熱電変換素子の構造の典型例としては、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および第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、効率よく熱電変換を行うことが容易にできる。 Typical examples of the structure of a thermoelectric conversion element can be broadly classified into (1) a structure in which electrodes are formed on both ends of the thermoelectric conversion film of the present invention, and (2) a structure in which the thermoelectric conversion film of the present invention is sandwiched between two electrodes, based on the positional relationship between the thermoelectric conversion film and a pair of electrodes. For example, a thermoelectric conversion element having the structure (1) above can be obtained by forming a thermoelectric conversion film on a substrate, and then applying silver paste to both ends of the film to form first and second electrodes. In this way, a thermoelectric conversion element in which electrodes are formed on both ends of the thermoelectric conversion film can easily increase the distance between the two electrodes. Therefore, it is easy to generate a large temperature difference between the two electrodes and perform efficient thermoelectric conversion.

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、熱電変換膜の膜厚方向、つまり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、発熱原に貼り付ける形態での利用が可能である。そのため、熱源から広範囲で熱を取り出すことができる等の利点があるため好ましい。上記(2)の構造を有する熱電変換素子では、膜厚を厚くすることで2つの電極間の距離を広くし、温度差を確保することも可能である。 A thermoelectric conversion element having the structure of (2) above can be obtained, for example, by applying silver paste onto a substrate to form a first electrode, forming the thermoelectric conversion film of the present invention on top of that, and then applying silver paste on top of that to form a second electrode. In this way, a thermoelectric conversion element in which the thermoelectric conversion film of the present invention is sandwiched between two electrodes can utilize the temperature difference in the film thickness direction of the thermoelectric conversion film, i.e., in the direction perpendicular to the substrate, and can be used in a form attached to a heat source. This is preferable because it has the advantage of being able to extract heat from a wide range from the heat source. In a thermoelectric conversion element having the structure of (2) above, it is also possible to ensure a temperature difference by increasing the film thickness to increase the distance between the two electrodes.

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 when connected in series, and can generate a large current when connected in parallel. The thermoelectric conversion element may be two or more thermoelectric conversion elements connected together. According to the present invention, the thermoelectric conversion element has excellent flexibility, so that it can be well installed even on a heat source that is not flat.

熱電変換素子は、熱源から効率良く熱を伝えるための吸熱層や蓄熱層を有していても良く、また、温度差を確保するために断熱層や放熱層を有していても良い。更に、用途や必要な電力量に応じ、取り出した電気を昇圧回路を用いて昇圧したり、取り出した電気エネルギーをコンデンサやキャパシタ、あるいは二次電池等に一時的に溜めて使用することもできる。 Thermoelectric conversion element may have a heat absorption layer or heat storage layer to efficiently transfer heat from the heat source, and may also have a heat insulation layer or heat dissipation layer to ensure a temperature difference. Furthermore, depending on the application and the amount of power required, the extracted electricity can be boosted using a boost circuit, or the extracted electrical energy can be temporarily stored in a capacitor, a secondary battery, etc. for use.

以下、実験例により、本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。なお、例中、「部」は「質量部」を、「%」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。 The present invention will be explained in more detail below using experimental examples, but the present invention is not limited to these examples. In the examples, "parts" means "parts by mass" and "%" means "% by mass." Also, "NMP" refers to N-methylpyrrolidone.

(重量平均分子量(Mw)の測定方法)
重量平均分子量(Mw)は、RI検出器を装備したゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した。装置は、HLC-8320GPC(東ソー社製)を用い、分離カラムを3本直列に繋ぎ、充填剤には順に東ソー社製「TSK-GELSUPERAW-4000」、「AW-3000」及び「AW-2500」を用い、オーブン温度40℃、溶離液として30mMトリエチルアミン及び10mMLiBrのN,N-ジメチルホルムアミド溶液を用い、流速0.6mL/分で測定した。測定用試料は、上記溶離液からなる分散媒に1%の濃度で調整し、20μL注入した。分子量は、ポリスチレン換算値である。
(Method of measuring weight average molecular weight (Mw))
The weight average molecular weight (Mw) was measured by gel permeation chromatography (GPC) equipped with an RI detector. The apparatus used was HLC-8320GPC (manufactured by Tosoh Corporation), and three separation columns were connected in series. The packing materials were Tosoh Corporation's "TSK-GELSUPERAW-4000", "AW-3000" and "AW-2500", respectively. The oven temperature was 40°C, and an N,N-dimethylformamide solution of 30 mM triethylamine and 10 mM LiBr was used as the eluent, and the measurement was performed at a flow rate of 0.6 mL/min. The measurement sample was adjusted to a concentration of 1% in the dispersion medium consisting of the above eluent, and 20 μL was injected. The molecular weight is a polystyrene equivalent value.

<重合体(A)の製造>
(製造例1)
(重合体(A-1)の製造)
ガス導入管、温度計、コンデンサー、攪拌機を備えた反応容器に、アセトニトリル100部を仕込み、窒素ガスで置換した。反応容器内を70℃に加熱して、アクリロニトリル50部、アクリル酸25部、スチレン25部、3-メルカプト-1,2-プロパンジオール2部および2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(日油社製:V-65)0.4部からなる混合物を3時間かけて反応容器内に滴下し、重合反応を行った。滴下終了後、70℃で1時間反応させた後、V-65を0.1部添加し、さらに70℃で1時間反応を続けた。その後、不揮発分測定にて転化率が98%を超えたことを確認した。生成物を減圧濾過によって濾別し、アセトニトリル100部にて洗浄を行い、減圧乾燥によって溶媒を完全に除去して重合体(A-1)を得た。重合体(A-1)のMwは、15000であった。
<Production of Polymer (A)>
(Production Example 1)
(Production of Polymer (A-1))
A reaction vessel equipped with a gas inlet tube, a thermometer, a condenser, and a stirrer was charged with 100 parts of acetonitrile and substituted with nitrogen gas. The reaction vessel was heated to 70°C, and a mixture consisting of 50 parts of acrylonitrile, 25 parts of acrylic acid, 25 parts of styrene, 2 parts of 3-mercapto-1,2-propanediol, and 0.4 parts of 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) (NOF Corp.: V-65) was dropped into the reaction vessel over 3 hours to carry out a polymerization reaction. After the dropwise addition, the reaction was carried out at 70°C for 1 hour, and then 0.1 parts of V-65 was added, and the reaction was continued at 70°C for another 1 hour. Thereafter, it was confirmed that the conversion rate exceeded 98% by measuring the nonvolatile content. The product was filtered out by vacuum filtration, washed with 100 parts of acetonitrile, and the solvent was completely removed by vacuum drying to obtain a polymer (A-1). The Mw of the polymer (A-1) was 15,000.

(製造例2~18)
(重合体(A-2)~(A-18)の製造)
単量体の種類と配合量を表1に示す通り変更し、製造例1と同様にして、それぞれ重合体(A-2)~(A-18)を製造した。各重合体のMwを表1に示す。なお、重合体(A-2)~(A-18)の合成は、連鎖移動剤の添加、重合開始剤量の調整、および反応条件等を適宜変更してMwを調整した。連鎖移動剤としては、3-メルカプト-1,2-プロパンジオールを用いた。表1中、数値は「部」を表し、空欄は配合していないことを意味する。以下、表1中の略号を示す。
AA:アクリル酸
HEA:ヒドロキシエチルアクリレート
DMAEA:ジメチルアミノエチルアクリレート
BA:ブチルアクリレート
2EHA:2-エチルヘキシルアクリレート
LA:ラウリルアクリレート
(Production Examples 2 to 18)
(Production of Polymers (A-2) to (A-18))
Polymers (A-2) to (A-18) were produced in the same manner as in Production Example 1, except that the type and amount of monomers were changed as shown in Table 1. The Mw of each polymer is shown in Table 1. In the synthesis of polymers (A-2) to (A-18), the Mw was adjusted by adding a chain transfer agent, adjusting the amount of polymerization initiator, and appropriately changing the reaction conditions, etc. As the chain transfer agent, 3-mercapto-1,2-propanediol was used. In Table 1, the numerical values represent "parts", and blanks mean that no compound was added. The abbreviations in Table 1 are shown below.
AA: Acrylic acid HEA: Hydroxyethyl acrylate DMAEA: Dimethylaminoethyl acrylate BA: Butyl acrylate 2EHA: 2-Ethylhexyl acrylate LA: Lauryl acrylate

(製造例19)
(重合体(A-19)の製造)
製造例3で得られた重合体(A-3)50部を、198部の水中に添加し、ディスパーで撹拌してスラリー状にした。次いで、2部の1N水酸化ナトリウム水溶液を25℃で滴下し、ディスパーにて2時間撹拌した。IRスペクトルによりシアノ基に由来する吸収ピーク(2230cm-1)の減少と、UVスペクトルによりシアノ基の環化に由来する300nmおよび380nmの2つの吸収ピークの増大により、アクリロニトリルに由来する単量体単位の一部が、環状構造に変化したことを確認した。次いで、水で水洗、ろ過乾燥し、重合体(A-19)を得た。重合体(A-19)の重量平均分子量(Mw)は、14000であった。
(Production Example 19)
(Production of Polymer (A-19))
50 parts of the polymer (A-3) obtained in Production Example 3 was added to 198 parts of water and stirred with a disperser to form a slurry. Then, 2 parts of a 1N aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise at 25° C., and the mixture was stirred with a disperser for 2 hours. It was confirmed that a part of the monomer units derived from acrylonitrile was changed to a cyclic structure by a decrease in the absorption peak (2230 cm −1 ) derived from the cyano group in the IR spectrum and an increase in two absorption peaks at 300 nm and 380 nm derived from the cyclization of the cyano group in the UV spectrum. Then, the mixture was washed with water, filtered, and dried to obtain a polymer (A-19). The weight average molecular weight (Mw) of the polymer (A-19) was 14,000.

(製造例20)
(重合体(A-20)の製造)
重合体(A-3)から重合体(A-7)に変更した以外は、製造例19と同様に行い、水素化ナフチリジン環を有する重合体(A-20)を得た。なお、重量平均分子量(Mw)は14000であった。
(Manufacture Example 20)
(Production of Polymer (A-20))
A polymer (A-20) having a hydrogenated naphthyridine ring was obtained in the same manner as in Production Example 19, except that the polymer (A-3) was replaced with the polymer (A-7). The weight average molecular weight (Mw) was 14,000.

<熱電変換材料を含む分散液の製造>
[実施例1]
(分散液1)
重合体(A)0.1部、GNP(XGSciences社製グラフェンナノプレート「xGNP-M-5」)0.4部、NMP79.5部をそれぞれ秤量して混合した。さらにビーズを加え、スキャンデックスで4時間振とう後、ろ過してビーズを取り除き、熱電変換材料の分散液1を得た。
<Production of Dispersion Containing Thermoelectric Conversion Material>
[Example 1]
(Dispersion 1)
0.1 parts of polymer (A), 0.4 parts of GNP (graphene nanoplate "xGNP-M-5" manufactured by XG Sciences), and 79.5 parts of NMP were weighed and mixed. Beads were further added, and the mixture was shaken with Scandex for 4 hours, and then filtered to remove the beads, to obtain a dispersion liquid 1 of a thermoelectric conversion material.

[実施例2~25、比較例1~4]
(分散液2~25、分散液101~104)
材料の種類および配合量を表2に示す内容にそれぞれ変更した以外は、分散液1の製造方法と同様にして、熱電変換材料の分散液2~25、分散液101~104をそれぞれ得た。
[Examples 2 to 25, Comparative Examples 1 to 4]
(Dispersions 2 to 25, Dispersions 101 to 104)
Thermoelectric conversion material dispersions 2 to 25 and dispersions 101 to 104 were obtained in the same manner as dispersion 1, except that the types and amounts of materials were changed as shown in Table 2.

表2に記載した材料を以下に示す。
導電性材料(B)
GNP(XGSciences社製グラフェンナノプレートレット「xGNP-M-5」)
CB(ライオン社製 ケッチェンブラック「EC-300J」)
黒鉛(中越黒鉛社製 膨張黒鉛SMF)
MWCNT(KUMHO PETROCHEMICAL社製多層カーボンナノチューブ「Knanos100P」)
SWCNT(OCSiAl社製単層カーボンナノチューブ「TUBALL」)
PEDOT/PSS(Heraeus社製「Clevios PH1000」)
PVP:日本触媒性、ポリビニルピロリドンK-30、不揮発分100%
PVA:クラレ社製、KurarayPOVAL PVA403、不揮発分100%
The materials listed in Table 2 are as follows:
Conductive material (B)
GNP (Graphene nanoplatelets "xGNP-M-5" manufactured by XGSciences)
CB (Ketjen Black "EC-300J" manufactured by Lion Corporation)
Graphite (expanded graphite SMF manufactured by Chuetsu Graphite Co., Ltd.)
MWCNT (Kumho Petrochemical's multi-walled carbon nanotube "Knanos100P")
SWCNT (OCSiAl's single-walled carbon nanotube "TUBALL")
PEDOT/PSS (Heraeus "Clevios PH1000")
PVP: Nippon Catalyst, Polyvinylpyrrolidone K-30, 100% non-volatile content
PVA: Kuraray POVAL PVA403, non-volatile content 100%

<熱電変換材料の評価>
得られた分散液1~25、及び分散液101~104を、基材としてシート状基材である厚さ75μmのPETフィルムにアプリケータを用いて塗布した後、120℃で30分乾燥して、膜厚5μmの熱電変換膜を有する積層体を得た。分散液を基材に塗工した際の塗工適性として以下に示す方法に従って評価した。また、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、以下の方法に従って導電性(導電率)およびゼーベック係数を評価した。結果を表2に示す。
<Evaluation of Thermoelectric Conversion Materials>
The obtained dispersions 1 to 25 and dispersions 101 to 104 were applied to a 75 μm thick PET film, which was a sheet-like substrate, using an applicator, and then dried at 120° C. for 30 minutes to obtain a laminate having a thermoelectric conversion film with a thickness of 5 μm. The coating suitability when the dispersion was applied to the substrate was evaluated according to the method shown below. In addition, the conductivity (electrical conductivity) and Seebeck coefficient of the obtained laminate having a thermoelectric conversion film (hereinafter also referred to as a coating film) were evaluated according to the method shown below. The results are shown in Table 2.

(導電率(抵抗率))
得られた積層体を2.5cm×5cmの大きさに切り取り、JIS-K7194に準じて、ロレス他GX MCP-T700(三菱化学アナリテック社製)を用いて四探針法で導電率を測定した。比較例1の導電率を1.0としたときの相対値として表2に示す。
(Conductivity (Resistivity))
The obtained laminate was cut into a size of 2.5 cm x 5 cm, and the electrical conductivity was measured by a four-probe method using a Lores et al. GX MCP-T700 (manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.) in accordance with JIS-K7194. The electrical conductivity is shown in Table 2 as a relative value when the electrical conductivity of Comparative Example 1 was set to 1.0.

(ゼーベック係数)
得られた積層体を3mm×10mmの大きさに切り取り、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(μV/K)を測定した。比較例1のゼーベック係数の絶対値を1.00としたとき、各実施例におけるゼーベック係数の絶対値との相対値を表2に示す。
(Seebeck coefficient)
The obtained laminate was cut into a size of 3 mm × 10 mm, and the Seebeck coefficient (μV/K) at 80° C. was measured using a ZEM-3LW manufactured by Advance Riko Co., Ltd. When the absolute value of the Seebeck coefficient of Comparative Example 1 was set to 1.00, the relative values to the absolute value of the Seebeck coefficient in each Example are shown in Table 2.

(塗工適性)
分散液の塗工適性は、グラインドゲージ(溝の深さ50μm)を用いて評価した。
◎:10μm以上の粗大粒子による筋引きや粗大粒子がない(非常に良好)
〇:10μm以上の粗大粒子による筋引きや粗大粒子はあるが、20μm以上の粗大粒子による筋引きや粗大粒子がない(良好)。
△:20μm以上の粗大粒子による筋引きや粗大粒子はあるが、30μm以上の粗大粒子による筋引きや粗大粒子がない(使用可能)
×:30μm以上の粗大粒子による筋引きや粗大粒子がある(使用不可)
(Coating suitability)
The coatability of the dispersion was evaluated using a grind gauge (groove depth 50 μm).
◎: No streaks or coarse particles of 10 μm or more (very good)
◯: Although there are streaks or coarse particles caused by coarse particles of 10 μm or more, there are no streaks or coarse particles caused by coarse particles of 20 μm or more (good).
△: Streaks or coarse particles of 20 μm or more are present, but streaks or coarse particles of 30 μm or more are not present (usable)
×: Streaks or coarse particles of 30 μm or more are present (unusable)

表2が示すように、本発明の熱電変換材料は、高い導電率とゼーベック係数を示した。更に、本発明の熱電変換材料を含有する分散液は、いずれも良好な塗工適性(塗膜状態)を示した。これは、分散性の向上に伴い熱電変換材料における導電性パスの形成が良好に行われた結果、キャリア移動効率が促進され、高い導電性とゼーベック係数の両立が可能となった。 As shown in Table 2, the thermoelectric conversion material of the present invention exhibited high electrical conductivity and Seebeck coefficient. Furthermore, all dispersions containing the thermoelectric conversion material of the present invention exhibited good coating suitability (coating film state). This is because the improved dispersibility led to good formation of conductive paths in the thermoelectric conversion material, which promoted carrier transfer efficiency and made it possible to achieve both high electrical conductivity and a high Seebeck coefficient.

<熱電変換素子の製造>
厚さ50μmのPETフィルム上に、上記分散液をそれぞれ塗布し、厚さ20μm、5mm×30mmの形状を有する熱電変換層を、それぞれ10mm間隔に5つ作製した。次いで、各熱電変換層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、厚さ10μm、5mm×33mmの形状を有する銀回路(電極)を4つ作製して熱電変換素子をそれぞれ製造した。上記銀ペーストとしては、東洋インキ株式会社製のREXALPHA RA-FS 074を使用した。各熱電変換素子について起電力を測定したところ、実施例1~25で製造した分散液を用いて製造した熱電変換素子は、比較例101~104で製造した分散液を用いて製造した熱電変換素子よりも起電力が優れていることを確認した。
<Manufacture of Thermoelectric Conversion Element>
The above dispersions were applied onto a PET film having a thickness of 50 μm, and five thermoelectric conversion layers each having a thickness of 20 μm and a shape of 5 mm × 30 mm were prepared at intervals of 10 mm. Next, four silver circuits (electrodes) having a thickness of 10 μm and a shape of 5 mm × 33 mm were prepared using silver paste so that each thermoelectric conversion layer was connected in series, and thermoelectric conversion elements were manufactured. As the above silver paste, REXALPHA RA-FS 074 manufactured by Toyo Ink Co., Ltd. was used. When the electromotive force of each thermoelectric conversion element was measured, it was confirmed that the thermoelectric conversion elements manufactured using the dispersions manufactured in Examples 1 to 25 had a superior electromotive force to the thermoelectric conversion elements manufactured using the dispersions manufactured in Comparative Examples 101 to 104.

本発明の実施形態である熱電変換材料は、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。 The thermoelectric conversion material according to an embodiment of the present invention has both electrical conductivity and a Seebeck coefficient, and also has excellent thermoelectric properties, so that the above material can be used to provide a high-performance thermoelectric conversion element.

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: Substrate 2: Thermoelectric conversion film 3: Circuit 10: Test sample of thermoelectric conversion element 20: Hot plate

Figure 0007500968000001
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Figure 0007500968000002
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Claims (5)

重合体(A)と、導電性材料(B)とを含む熱電変換材料であって、
重合体(A)が、(メタ)アクリロニトリルに由来する単量体単位、ならびに活性水素基含有単量体を含み、活性水素基含有単量体単位が、水酸基含有単量体および/またはカルボキシル基含有単量体に由来する単量体単位を含み、(メタ)アクリロニトリルに由来する単量体単位を40質量%以上100質量%未満含む共重合体であり、
導電性材料(B)が、炭素材料および/または導電性高分子を含むことを特徴とする熱電変換材料。
A thermoelectric conversion material comprising a polymer (A) and a conductive material (B),
The polymer (A) is a copolymer containing monomer units derived from (meth)acrylonitrile and an active hydrogen group-containing monomer, the active hydrogen group-containing monomer units containing monomer units derived from a hydroxyl group-containing monomer and/or a carboxyl group-containing monomer, and containing 40 mass% or more and less than 100 mass% of monomer units derived from (meth)acrylonitrile,
A thermoelectric conversion material, characterized in that the conductive material (B) contains a carbon material and/or a conductive polymer.
重合体(A)中、水酸基含有単量体に由来する単量体およびカルボキシル基含有単量体に由来する単量体単位を合計1~25質量%含むことを特徴とする請求項記載の熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to claim 1 , characterized in that the polymer (A) contains 1 to 25 mass% in total of monomer units derived from a hydroxyl group-containing monomer and monomer units derived from a carboxyl group-containing monomer. 更に、無機金属塩、無機塩基および有機塩基からなる群から選ばれる少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項1または2記載の熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to claim 1 or 2, further comprising at least one selected from the group consisting of inorganic metal salts, inorganic bases, and organic bases. 重合体(A)の含有率が、前記導電性材料(B)の全量に対して5~100質量%であることを特徴とする請求項記載の熱電変換材料。 2. The thermoelectric conversion material according to claim 1 , wherein the content of the polymer (A) is 5 to 100 mass % based on the total amount of the conductive material (B). 請求項1~4いずれか記載の熱電変換材料を含んでなる熱電変換膜と、電極とを有し、前記熱電変換膜と前記電極とが、電気的に接続されていることを特徴とする熱電変換素子。

A thermoelectric conversion element comprising a thermoelectric conversion film comprising the thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 4 and electrodes, the thermoelectric conversion film and the electrodes being electrically connected to each other.

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