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印刷できる有機－無機ハイブリッド
熱電材料の開発
九州工業大学
工学研究院 機械知能工学研究系
教授 宮崎 康次
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従来技術とその問題点
エネルギーハ－べスティング
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•
光
電磁波
熱
振動
10-4W/cm2
10-4W/cm2
10-5W/cm2
10-3W/cm2
太陽光など
熱電変換
振動
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従来技術とその問題点
closs-plane
100µm
50µm
G. J. Synder, Nature
Materials, 2, (2003), 528531
1mm
500µm
J. F. Li et al., Sensor and
Actuator A, 108,(2003), 97102
SEIKO
Z. Wang et al.,Sensors
and Actuators A, Vol.156
(2009) 95-102
in-plane
Micropelt
J. Alexandre et.al, Sensors
and Actuators A, 116 (3), pp
501-508 (2004)
J. Weber et al., Sensor and
Actuator A, 132, (2006),
325-330
C. Navone et al., Journal of
Electronic Materials,
(2010)
Univ. Michigan
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従来技術とその問題点
エネルギーハ－ベスティングへの熱電発電の
応用では，以下の問題点が挙げられる．
・高価なデバイス製造コスト
・印刷応用では，低い変換効率
Micropelt webpageより
等の問題があり、広く利用されるまでには
至っていない。
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 従来技術の問題点であった、印刷技術を用い
て、加工の低コスト化を達成した。
• 従来は導電度が低く、無次元性能指数ZTが
0.1程度であったが、導電性高分子とハイブ
リッド化して、ZT=0.3程度にまで性能を向上
できた。
• 本技術の適用により、大気中で作業できるた
め、製造コストが1/5程度にまで削減されるこ
とが期待される。
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新技術の特徴・従来技術との比較
有機材料
PEDOT:PSS
S2σ [µW/(cm·K2)] 4.69
k [W/(m·K)]
0.24-0.26
ZT (T=300)
0.42
・ 高いZT
・ ゼーベック係数に課題
・ フレキシブル
P. Pipe et al., Nature Materials (2013) ,12, 719.
有機‐無機ハイブリッド
ZT = 0.41 (n型), 0.31 (p型)
・フレキシブル
・耐熱性も△
・ゼーベック係数に課題
D. Madan et al., ACS Appl. Mater. Interfaces (2012), 4, 6117.
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新技術の特徴・従来技術との比較
500 nm
1 µm
導電性材料を隙間に詰める
Bi0.4Te3.0Sb1.6
thin film pattern
Metal electrode
Alumina substrate
低い導電度
1.3 S/cm
500 µm
J. Alloys. Compounds,
Vol. 462, pp.351-355 (2008)
> 300S/cm
ZT ～0.3
PEDOT:PSS , PAA
高い導電率
高いフレキシブル性
低コスト 50円（5cm×5cm）
・C. Navone et al., J. Electron. Mater., Vol.40, (2010) 789-793
スプレーコーティング 添加剤なし
・D. Madan et al., J. Appl. Phys., Vol. 109, (2011) 034904.
エポキシ添加 → ZT=0.16
・B. Zhang et al., ACS Appl. Mater. & Interfaces, Vol. 2, (2010) 3170-3178
PEDOT:PSS添加 → ZT～0.1-0.2
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本技術で作製した熱電薄膜
ゼーベック係数
導電度
> 300S/cm
ZT ～0.3
PEDOT:PSS , PAA
高い導電率
高いフレキシブル性
低コスト 50円（5cm×5cm）
K. Kato et al., J. Electronic Mater., Vol.42, (2013) 1313.
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想定される用途
• 本技術の特徴を生かすためには、小型熱電発
電モジュール製造に適用することで製造の低
コスト化のメリットが大きいと考えられる。
• 上記以外に、真空蒸着では作製が難しかった
厚膜（～100µm厚）も生成できる。
• また、達成された導電度に着目すると、熱電材
料以外の機能性材料にも展開することも可能
と思われる。
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実用化に向けた課題
• 現在、熱電膜生成が印刷で可能なところまで
開発済み。しかし、モジュールなどへの展開
が未解決である。
• 今後、モジュールを作製して実験データを取
得し、発電や冷却に適用していく場合の条件
設定を行っていく。
• 実用化に向けて、さらなるZT向上を確立する
必要もあり。
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企業への期待
• 未解決のＺＴについては、新たな材料の導入
により克服できると考えている。
• 具体的な応用技術を持つ、企業との共同研究
を希望。
• また、マイクロ熱電モジュールやマイクロペル
チェ冷却モジュールの導入を検討されている
企業には、本技術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権
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発明の名称 ：熱電変換材料
及びその製造方法
出願番号 ：WO2013/141065 A1
(特願2012-064245)
出願人
：九州工業大学
発明者
：加藤邦久、武藤豪志、宮崎康次
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産学連携の経歴
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2005年-2006年
2005年-2006年
2006年-2007年
2008年-2009年
JSTシーズ育成試験事業
ふくおかIST 産学官共同研究開発事業
JSTシーズ発掘試験事業
北九州産業学術推進機構
マッチングファンド事業
• 2008年-2013年 NEDO BEANSプロジェクト事業
• 2012年-2013年 ASTEP 探索タイプ事業
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お問い合わせ先
九州工業大学
産学官連携コーディネーター 山崎 博範
ＴＥＬ
０９４８－２９ － ７８９５
ＦＡＸ
０９４８－２９ － ７８９９
e-mail [email protected]
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