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熱電変換材料

国内特許コード P150011415
整理番号 S2013-0645-N0
掲載日 2015年2月26日
出願番号 特願2013-123525
公開番号 特開2014-241355
出願日 平成25年6月12日(2013.6.12)
公開日 平成26年12月25日(2014.12.25)
発明者
  • 中村 雅一
  • 伊藤 光洋
  • 山下 一郎
  • 岡本 尚文
  • 小林 未明
  • 熊谷 慎也
出願人
  • 国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学
発明の名称 熱電変換材料
発明の概要 【課題】熱電変換効率が高く、大面積に利用でき、様々な形状の表面に対応できる柔軟性を持った熱電変換材料を提供する。
【解決手段】複数の導電性材料と、導電性のコア部及び絶縁性のシェル部を有するコアシェル粒子とを有し、前記複数の導電性材料間の少なくとも一部が前記コアシェル粒子を介して接合されている、熱電変換材料。熱電変換材料の熱電変換効率を向上させるためには、導電率が高いこと、熱伝導性が低いことなどが要求される。複数の導電性材料の間の一部が、絶縁性のシェル部と導電性のコア部とを有するコアシェル粒子により接合されているため、接合部の絶縁性のシェル部によって局所的なフォノン(格子振動)反射が生じ、熱電変換材料全体としての熱伝導率が低くなる。
【選択図】図11
従来技術、競合技術の概要



近年、身の周りの未利用のエネルギーを回収して利用する、エナジーハーベスティング技術に注目が集まっている。このような技術の中でも、熱を回収して電気エネルギーに変換する熱電変換技術への期待が大きい。これは、身の回りで利用されているエネルギー全体量の約70%が活用されることなく排熱となっているからである。排熱から電気エネルギーを生み出し、例えば分散型の自立電源として利用することができれば、スマートビルディングなどで用いるセンサーネットワーク、ウェアラブルエレクトロニクスなどの電源として用いることが可能となる。





一般に、熱電変換材料の性能は、パワーファクターP(=α2σ)及び無次元性能指数ZT(=α2σT/κ)で評価される。ここで、αはゼーベック係数、σは導電率、κは熱伝導率、Tは絶対温度である。パワーファクターPは、熱電変換材料から得られる電力に対応し、無次元性能指数ZTは、エネルギー変換効率に対応しており、共に値が大きい方が熱電変換材料としての性能が良い。





従来、ビスマス・テルル系、鉛・テルル系、シリコン・ゲルマニウム系など、多くの熱電変換材料が提案されている。しかしながら、排熱の大部分は、薄く広がっており、熱流密度が小さい。例えば、排熱の約42%は、150℃以下の低い温度であり、熱流密度が低い熱源である。従って、柔軟性の低い従来の熱電変換材料では、種々の形状を有する幅広い範囲の排熱を効率的に回収することは困難である。





その他の熱電変換材料として、例えば、非特許文献1には、カーボンナノチューブと絶縁性ポリマーとのコンポジットを熱電変換材料として用いることが提案されている。このようなコンポジットは、大量に添加されたカーボンナノチューブによって導電性を有し、かつ様々な形状の表面に対応できる柔軟性をもつと考えられる。しかしながら、カーボンナノチューブは、ゼーベック係数が小さく、熱伝導率が高いため、パワーファクターP及び無次元性能指数ZTが小さく、熱電変換材料として優れているとは言い難い。





また、カーボンナノチューブを利用した熱電変換材料としては、非特許文献2のように、金ナノ粒子によるキャリアドーピング効果によってカーボンナノチューブの導電率を高める方法や、非特許文献3のように、導電性ポリマーの導電率を向上させるためにカーボンナノチューブを混在させる方法などが開示されている。しかしながら、これらの方法によっても、熱電変換効率が高く、大面積に利用でき、様々な形状の表面に対応できる柔軟性を持った熱電変換材料とすることは困難である。

産業上の利用分野



本発明は、熱電変換材料に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
複数の導電性材料と、導電性のコア部及び絶縁性のシェル部を有するコアシェル粒子とを有し、
前記複数の導電性材料間の少なくとも一部が前記コアシェル粒子を介して接合されている、熱電変換材料。

【請求項2】
前記コアシェル粒子における前記シェル部の厚みが5nm以下である、請求項1に記載の熱電変換材料。

【請求項3】
前記コアシェル粒子における前記コア部の直径が0.1~100nmである、請求項1または2に記載の熱電変換材料。

【請求項4】
前記コアシェル粒子の粒子径が1~110nmであり、前記コアシェル粒子の熱伝導率が前記導電性材料の熱伝導率よりも相対的に小さい、請求項1~3のいずれかに記載の熱電変換材料。

【請求項5】
前記導電性材料が繊維状である、請求項1~4のいずれかに記載の熱電変換材料。

【請求項6】
前記導電性材料が、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、金属ウィスカー繊維、及び金属酸化物ウィスカー繊維からなる群から選択された少なくとも1種である、請求項1~5のいずれかに記載の熱電変換材料。

【請求項7】
前記コアシェル粒子は、前記シェル部がポリペプチドにより構成されており、前記コア部が無機半導体により構成されている、請求項1~6のいずれかに記載の熱電変換材料。

【請求項8】
前記ポリペプチドが、球殻状タンパク質である、請求項7に記載の熱電変換材料。

【請求項9】
前記無機半導体が、金属酸化物または化合物半導体である、請求項7または8に記載の熱電変換材料。

【請求項10】
前記ポリペプチドの表面のペプチドが前記導電性材料と結合している、請求項7~9のいずれかに記載の熱電変換材料。

【請求項11】
前記コアシェル粒子がデンドリマーであり、前記デンドリマーにおける前記シェル部が絶縁性の側鎖部分により構成されており、前記コア部が導電性のπ共役系コアにより構成されている、請求項1~6のいずれかに記載の熱電変換材料。

【請求項12】
前記複数の導電性材料がp型半導体特性を有し、前記導電性のコア部がp型半導体である、請求項1~11のいずれかに記載の熱電変換材料。

【請求項13】
前記複数の導電性材料がn型半導体特性を有し、前記導電性のコア部がn型半導体である、請求項1~11のいずれかに記載の熱電変換材料。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2013123525thum.jpg
出願権利状態 公開
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