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2017年3月14日

産総研、印刷で作れる高性能有機系熱電変換材料を開発

 産業技術総合研究所(産総研)は2017年3月14日、印刷法により形成できる高性能なp型の有機系熱電変換材料を開発、発電性能を示す出力因子で世界最高レベルの600μW/mK2を実現したことを発表した。産総研はNEDOプロジェクトにおいて、未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合(TherMAT)の組合員として開発を行っている。今回の成果を身の回りに存在する膨大な量の200℃以下の低温排熱のエネルギーハーベスティングに活用することを目指す。
 導電性高分子材料やカーボンナノチューブ(CNT)−高分子複合材料などの有機系材料は、軽量で柔軟性を有し、かつレアメタルを含まないなどの特徴を持つ。また、低コストで高い生産性が期待される印刷法により材料形成が可能となる。このため、従来の無機熱電変換材料を用いた場合に比べて、軽量性や柔軟性を有した利便性の高い熱電変換素子を低コストに製造できるようになると考えられている。有機系熱電変換素子が実用化されれば、身の回りに存在する低温の排熱を熱電変換し、これによって得られた電力を用いて、センサなどの低消費電力な電子機器を駆動することが期待される。一方で、現状の有機系熱電変換材料は、発電性能が著しく低いという問題点を有している。
  産総研フレキシブルエレクトロニクス研究センターの末森浩司らの研究グループは、発電量を表す指標である出力因子として、600μW/mK2を超える有機系熱電変換材料を開発した。この値は、単純に塗布形成できるp型の有機系熱電変換材料としては世界最高レベルの値を実現している。同研究グループは、今回の成果を身の回りに存在する膨大な量の200℃以下の低温排熱のエネルギーハーベスティングに活用することを目指す。
 有機系材料としては、CNT−高分子複合材料を用いた。CNT−高分子複合材料は、高分子材料が溶解した有機溶媒中にCNTを分散させ、この分散液を基板上に塗布し、その後、有機溶媒を乾燥させることで形成できる。従って、有機溶媒に可溶性を有する広範な高分子材料種を用いることができる。従来は、高い電気伝導性を付与することを目的として、導電性高分子を用いて作製したCNT−導電性高分子複合材料が研究の主流をなしていた。一方で、本研究グループは、導電性高分子に比較して、汎用性や耐久性、価格などの面で優れた絶縁体高分子を原料として用いた、CNT−絶縁体高分子複合材料の高性能化に関する研究を進めていた。
  その結果、典型的な絶縁体高分子であるポリスチレンCNTと混合させることで、ゼーベック係数が向上することを見出した(図1)。これは、ポリスチレンの添加により、CNT間コンタクトにおける距離が増加し、その部分のトンネル障壁の厚みが増加した結果、高エネルギーのキャリアが優先的に電気伝導に寄与するようになり、ゼーベック係数が増加する、エネルギーフィルタリング効果によると推測されます。
 加えて、CNT−絶縁体高分子複合材料中のCNTの束の直径を低下させることで、ゼーベック係数は変化させずに電気伝導性を大幅に向上できることを見出した(図2)。研究グループはこれらの効果を組み合わせることでパワーファクタを向上させることを目指して、低直径のCNT束をポリスチレンと混合させたCNT−ポリスチレン複合材料を作製した結果、約100℃において600μW/mK2を超えるパワーファクタを観測することに成功した(図3)。この値は、本成果と同様に、分散液を基板上に滴下し乾燥させる単純な印刷手法で作製したCNT−導電性高分子複合材料のトップレベルの値に比較して概ね2倍以上の値となっている。

URL=http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2017/pr20170314/pr20170314.html


産総研1
図1 カーボンナノチューブ−ポリスチレン複合材料におけるゼーベック係数のポリスチレン濃度依存性


産総研2
図2 異なる直径のカーボンナノチューブ束を用いた際のカーボンナノチューブ−
ポリスチレン複合材料におけるゼーベック係数と電気伝導率


産総研3

図3 カーボンナノチューブ−ポリスチレン複合材料における出力因子の温度依存性








 

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