JP2017041540A - Peltier cooling element and method for manufacturing the same - Google Patents

Peltier cooling element and method for manufacturing the same Download PDF

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Peltier cooling element which is excellent in thermoelectric performance and flexibility, and can be simply manufactured at low cost.SOLUTION: There are provided a Peltier cooling element using a thermoelectric conversion material having a thin film formed of a thermoelectric semiconductor composition containing thermoelectric semiconductor fine particles, a heat resistant resin and an ion liquid, on a support, where the Peltier cooling element contains a thermal conductive film having a high thermal conductivity portion and a low thermal conductivity portion on one surface or both surfaces of the film; and a method for manufacturing the Peltier cooling element using the thermoelectric conversion material having the thin film formed of the thermoelectric semiconductor composition containing the thermoelectric semiconductor fine particles, the heat resistant resin and the ion liquid which includes the steps of: applying the thermoelectric semiconductor composition containing the thermoelectric semiconductor fine particles, the heat resistant resin and the ion liquid, on the support, drying the thermoelectric semiconductor composition to form a thin film; annealing the thin film; and sticking the thermal conductive film having the high thermal conductivity portion and the low thermal conductivity portion onto the thin film.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、熱と電気との相互エネルギー変換を行う熱電変換材料を用いたペルチェ冷却素子に関する。   The present invention relates to a Peltier cooling element using a thermoelectric conversion material that performs mutual energy conversion between heat and electricity.

従来から、熱電変換を利用したエネルギー変換技術として、熱電発電技術及びペルチェ冷却技術が知られている。熱電発電技術は、ゼーベック効果による熱エネルギーから電気エネルギーへの変換を利用した技術であり、この技術は、特にビル、工場等で使用される化石燃料資源を使用する機器等から発生する未利用の廃熱エネルギーを電気エネルギーとして回収できる省エネルギー技術として大きな脚光を浴びている。これに対し、ペルチェ冷却技術は、熱電発電の逆で、ペルチェ効果による電気エネルギーから熱エネルギーへの変換を利用した技術であり、この技術は、例えば、ワインクーラー、小型で携帯が可能な冷蔵庫、またコンピュータ等に用いられるCPU用の冷却、さらに光通信の半導体レーザー発振器の温度制御等の精密な温度制御が必要な部品や装置に用いられている。しかしながら、熱電変換効率が低く、そのため、これら技術の実用化に関しては、上記のように、未だ限定的な分野に留まっている。   Conventionally, a thermoelectric power generation technique and a Peltier cooling technique are known as energy conversion techniques using thermoelectric conversion. Thermoelectric power generation technology is a technology that uses the conversion of thermal energy into electrical energy by the Seebeck effect, and this technology is an unused technology that is generated from equipment that uses fossil fuel resources, especially in buildings and factories. It has received a great deal of attention as an energy-saving technology that can recover waste heat energy as electrical energy. On the other hand, the Peltier cooling technology is a technology that uses the conversion from electrical energy to thermal energy due to the Peltier effect, which is the reverse of thermoelectric power generation. This technology is, for example, a wine cooler, a small and portable refrigerator, It is also used in parts and devices that require precise temperature control, such as cooling for CPUs used in computers and the like, and temperature control of semiconductor laser oscillators for optical communications. However, the thermoelectric conversion efficiency is low, and as a result, the practical application of these techniques still remains in a limited field as described above.

近年、エレクトロニクス機器には、それらの動作や制御に係り半導体素子が実装されることが当たり前のものとなっている中、微細化による半導体素子のさらなる小型化、高性能化等に伴い、半導体素子自体が高温になりかつ多量の熱を放出する発熱体となってきている。このような状況下、半導体素子の発熱を効率良く吸熱する冷却デバイスの小型化が求められている。
その対応方法の一つとして、上述したペルチェ冷却技術を利用した電子冷却があるが、従来のペルチェ素子は、熱電素子として熱電材料の焼結体を用いているため、小型化には機械的強度、また発熱体面への設置形態(屈曲部への実装等)や精度の観点からも限界があることから、印刷などによる塗布プロセスを用いた熱電材料の薄膜化を含むペルチェ素子のシート化、またそれらが屈曲性を有することが望まれている。
In recent years, it has become natural that electronic devices are mounted on electronic devices in connection with their operations and controls. With the further miniaturization and higher performance of semiconductor devices due to miniaturization, semiconductor devices have been developed. It has become a heating element that itself becomes hot and emits a large amount of heat. Under such circumstances, there is a demand for downsizing of a cooling device that efficiently absorbs heat generated by a semiconductor element.
One of the countermeasures is electronic cooling using the above-mentioned Peltier cooling technology, but the conventional Peltier element uses a sintered body of thermoelectric material as the thermoelectric element. In addition, since there is a limit in terms of installation form on the heating element surface (mounting on a bent part, etc.) and accuracy, Peltier element sheets including thinning of thermoelectric materials using a coating process such as printing, It is desired that they have flexibility.

熱電変換では、上述したように、ゼーベック効果とペルチェ効果といった、材料に固有の物理現象を利用している。そのため、熱電変換の効率を向上させるためには、性能の高い熱電変換材料を開発する必要がある。熱電変換効率は、熱電性能指数Z(Z=σS/λ=σΠ/λT)によって評価することができる。ここで、Sはゼーベック係数、Πはペルチェ係数、σは電気伝導率(抵抗率の逆数)、λは熱伝導率、Tは接合部の絶対温度である。上記より、冷却の高効率化にあたっては、発電にかかるゼーベック係数S、冷却にかかるペルチェ係数Π(ペルチェ係数とゼーベック係数とは、上記Tを一定とした場合、比例関係にある)、及び電気伝導率σが大きく、熱伝導率λが小さい熱電変換材料を見出すことが重要となる。 In the thermoelectric conversion, as described above, physical phenomena specific to the material such as the Seebeck effect and the Peltier effect are used. Therefore, in order to improve the efficiency of thermoelectric conversion, it is necessary to develop a thermoelectric conversion material with high performance. The thermoelectric conversion efficiency can be evaluated by a thermoelectric figure of merit Z (Z = σS 2 / λ = σΠ 2 / λT 2 ). Here, S is the Seebeck coefficient, Π is the Peltier coefficient, σ is the electrical conductivity (reciprocal of resistivity), λ is the thermal conductivity, and T is the absolute temperature of the junction. From the above, in order to increase the efficiency of cooling, the Seebeck coefficient S for power generation, the Peltier coefficient 冷却 for cooling (the Peltier coefficient and Seebeck coefficient are in a proportional relationship when T is constant), and electrical conduction It is important to find a thermoelectric conversion material having a high rate σ and a low thermal conductivity λ.

このような中、特許文献1には、発電効率の向上及び効率よく製造することを目的として、支持体上に、絶縁体を有し、p型、n型有機半導体素子の材料となる溶液を用いて塗布又は印刷後に、乾燥する工程を経ることにより作製した熱電変換素子の製造方法が開示されている。また、非特許文献1には、熱電変換材料として、ビスマステルライドをエポキシ樹脂に分散した組成物とし、それらを塗布により成膜することで、薄膜型熱電変換素子を作製する検討がなされている。さらに、特許文献2では、ポリチオフェンもしくはその誘導体などの有機熱電材料と、無機熱電材料とが分散状態で一体化されている熱電材料が検討されている。さらにまた、特許文献3では、図3に示すように、P型熱電素子41、N型熱電素子42の薄膜に備わる電極43が薄膜の長さ方向の少なくとも両端に配置された熱電変換モジュール(以下、「In−plane型熱電変換モジュール」という。)を用いた場合の熱電素子両端部間(両電極間)の温度差の付与について、両端の電極43から効率良く熱起電力を取り出すために、熱伝導率の異なる材料で構成された柔軟性を有するフィルム状基板44、45を用い、フィルム状基板44、45の厚さ方向の温度勾配をフィルム状基板44、45の面内方向の温度勾配に変換する検討がなされている。   Under such circumstances, Patent Document 1 discloses a solution that has an insulator on a support and serves as a material for p-type and n-type organic semiconductor elements for the purpose of improving power generation efficiency and producing efficiently. The manufacturing method of the thermoelectric conversion element produced by passing through the process of drying after apply | coating or printing using is disclosed. Further, Non-Patent Document 1 discusses the production of a thin-film thermoelectric conversion element by forming a composition in which bismuth telluride is dispersed in an epoxy resin as a thermoelectric conversion material and forming a film by coating them. Further, Patent Document 2 discusses a thermoelectric material in which an organic thermoelectric material such as polythiophene or a derivative thereof and an inorganic thermoelectric material are integrated in a dispersed state. Furthermore, in Patent Document 3, as shown in FIG. 3, a thermoelectric conversion module (hereinafter referred to as a thermoelectric conversion module) in which electrodes 43 provided on thin films of a P-type thermoelectric element 41 and an N-type thermoelectric element 42 are arranged at least at both ends in the length direction of the thin film. In order to efficiently extract the thermoelectromotive force from the electrodes 43 at both ends, the temperature difference between the both ends of the thermoelectric element (between both electrodes) when using “In-plane type thermoelectric conversion module”) is used. Using flexible film-like substrates 44 and 45 made of materials having different thermal conductivities, the temperature gradient in the thickness direction of the film-like substrates 44 and 45 is the temperature gradient in the in-plane direction of the film-like substrates 44 and 45. Considered to convert to.

特開2010−199276号公報JP 2010-199276 A 特開2003−46145号公報JP 2003-46145 A 特許3981738号公開公報Japanese Patent No. 3981738

D.Madan,Journal of Applied Physics 2011,109,034904.D. Madan, Journal of Applied Physics 2011, 109, 034904.

しかしながら、特許文献1では、熱電材料として、p型、n型有機半導体素子を用いており、熱電変換特性が十分ではなかった。また、非特許文献1の薄膜型熱電変換素子では、バインダー樹脂の分解温度以上の高温で加熱処理を行うため、ビスマステルライドのみを成膜した場合と同程度の屈曲性しか得られず、しかも熱電変換特性が十分ではなかった。さらに、特許文献2の熱電材料は、熱電変換特性をより向上させるために、熱電材料の薄膜を形成した後に有機熱電材料の分解温度以上の高温で加熱処理を行った場合、有機熱電材料が消失してしまい、熱電変換特性が低下するおそれがあった。さらにまた、特許文献3では、フィルム状基板をIn−plane型熱電変換モジュールに用いた場合の温度差の付与が十分ではなく、該フィルム状基板を、ペルチェ素子を構成する、In−plane型熱電変換モジュールの放熱フィルム(以下、「熱伝導性フィルム」ということがある。)として用いた場合においても、熱電性能(冷却効果)が十分得られないおそれがあった。   However, in Patent Document 1, p-type and n-type organic semiconductor elements are used as thermoelectric materials, and the thermoelectric conversion characteristics are not sufficient. Further, in the thin film type thermoelectric conversion element of Non-Patent Document 1, since heat treatment is performed at a temperature higher than the decomposition temperature of the binder resin, only the same degree of flexibility as in the case of forming a film of bismuth telluride can be obtained. The conversion characteristics were not sufficient. Furthermore, the thermoelectric material of Patent Document 2 loses the organic thermoelectric material when heat treatment is performed at a temperature higher than the decomposition temperature of the organic thermoelectric material after forming a thin film of the thermoelectric material in order to further improve the thermoelectric conversion characteristics. As a result, the thermoelectric conversion characteristics may be deteriorated. Furthermore, in Patent Document 3, the application of a temperature difference when the film-like substrate is used in an In-plane type thermoelectric conversion module is not sufficient, and the film-like substrate constitutes a Peltier element. Even when used as a heat dissipation film (hereinafter sometimes referred to as a “thermal conductive film”) of the conversion module, there is a possibility that the thermoelectric performance (cooling effect) may not be sufficiently obtained.

本発明は、上記状況を鑑み、熱電性能及び屈曲性に優れ、簡便に低コストで製造可能であるペルチェ冷却素子を提供することを課題とする。   In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a Peltier cooling element that is excellent in thermoelectric performance and flexibility and can be easily manufactured at low cost.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、支持体上に、熱伝導率の低下に寄与する微粒子化した熱電半導体、耐熱性樹脂、及び微粒子間の空隙部での電気伝導率の低下を抑制するイオン液体を含む熱電半導体組成物からなる薄膜を有する熱電変換材料を用いて構成したペルチェ冷却素子、さらに放熱フィルムとして該薄膜の片面又は両面に高熱伝導部と低熱伝導部とを備えた熱伝導性フィルムを貼付したペルチェ冷却素子が、従来の上記熱電変換材料及び放熱フィルムを用いたペルチェ冷却素子と比べ、高い熱電性能すなわちペルチェ素子として高い冷却性能を有し、かつ屈曲性に優れることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の(1)〜(12)を提供するものである。
(1)支持体上に、熱電半導体微粒子、耐熱性樹脂及びイオン液体を含む熱電半導体組成物からなる薄膜を有する熱電変換材料を用いたペルチェ冷却素子であって、該ペルチェ冷却素子が、該薄膜の片面又は両面に高熱伝導部と低熱伝導部とを備えた熱伝導性フィルムを含む、ペルチェ冷却素子。
(2)前記ペルチェ冷却素子の前記薄膜に電極が備わり、該電極が該薄膜の長さ方向の両端部に少なくとも一つ以上備わる、上記(1)に記載のペルチェ冷却素子。
(3)前記熱伝導性フィルムが接着層を含む、上記(1)に記載のペルチェ冷却素子。
(4)前記イオン液体の配合量が、前記熱電半導体組成物中0.01〜50質量%である、上記(1)に記載のペルチェ冷却素子。
(5)前記イオン液体のカチオン成分が、ピリジニウムカチオン及びその誘導体、イミダゾリウムカチオン及びその誘導体から選ばれる少なくとも1種を含む、上記(1)に記載のペルチェ冷却素子。
(6)前記イオン液体のアニオン成分が、ハロゲン化物アニオンを含む、上記(1)に記載のペルチェ冷却素子。
(7)前記ハロゲン化物アニオンが、Cl、Br及びIから選ばれる少なくとも1種を含む、上記(6)に記載のペルチェ冷却素子。
(8)前記耐熱性樹脂が、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂及びエポキシ樹脂から選ばれる少なくとも1種である、上記(1)に記載のペルチェ冷却素子。
(9)前記熱電半導体微粒子の配合量が、前記熱電半導体組成物中30〜99質量%である、上記(1)に記載のペルチェ冷却素子。
(10)前記熱電半導体微粒子の平均粒径が、10nm〜200μmである、上記(1)〜(9)のいずれか1項に記載のペルチェ冷却素子。
(11)前記熱電半導体微粒子が、ビスマス−テルル系熱電半導体材料の微粒子である、上記(1)〜(10)のいずれか1項に記載のペルチェ冷却素子。
(12)支持体上に、熱電半導体微粒子、耐熱性樹脂及びイオン液体を含む熱電半導体組成物からなる薄膜を有する熱電変換材料を用いたペルチェ冷却素子の製造方法であって、支持体上に、熱電半導体微粒子、耐熱性樹脂及びイオン液体を含む熱電半導体組成物を塗布し、乾燥し、薄膜を形成する工程、該薄膜をアニール処理する工程、さらに高熱伝導部と低熱伝導部とを備えた熱伝導性フィルムを片面又は両面に貼付する工程を含む、ペルチェ冷却素子の製造方法。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have formed a finely divided thermoelectric semiconductor, a heat-resistant resin, and a void portion between the fine particles that contribute to a decrease in thermal conductivity on the support. A Peltier cooling element configured using a thermoelectric conversion material having a thin film made of a thermoelectric semiconductor composition containing an ionic liquid that suppresses a decrease in electrical conductivity, and a high heat conduction portion and low thermal conductivity on one or both sides of the thin film as a heat dissipation film And a Peltier cooling element to which a thermally conductive film provided with a portion is attached has high thermoelectric performance, that is, high cooling performance as a Peltier element, compared to the conventional Peltier cooling element using the thermoelectric conversion material and the heat dissipation film, and The inventors found that it has excellent flexibility and completed the present invention.
That is, the present invention provides the following (1) to (12).
(1) A Peltier cooling element using a thermoelectric conversion material having a thin film made of a thermoelectric semiconductor composition containing thermoelectric semiconductor fine particles, a heat resistant resin and an ionic liquid on a support, the Peltier cooling element being the thin film A Peltier cooling element including a heat conductive film having a high heat conduction part and a low heat conduction part on one or both sides thereof.
(2) The Peltier cooling element according to (1), wherein an electrode is provided on the thin film of the Peltier cooling element, and at least one electrode is provided at both ends of the thin film in the length direction.
(3) The Peltier cooling element according to (1), wherein the heat conductive film includes an adhesive layer.
(4) The Peltier cooling element according to (1), wherein a blending amount of the ionic liquid is 0.01 to 50% by mass in the thermoelectric semiconductor composition.
(5) The Peltier cooling element according to (1), wherein the cation component of the ionic liquid includes at least one selected from a pyridinium cation and a derivative thereof, an imidazolium cation and a derivative thereof.
(6) The Peltier cooling element according to (1) above, wherein the anion component of the ionic liquid includes a halide anion.
(7) The Peltier cooling element according to (6), wherein the halide anion includes at least one selected from Cl , Br and I .
(8) The Peltier cooling element according to (1), wherein the heat-resistant resin is at least one selected from a polyamide resin, a polyamideimide resin, a polyimide resin, and an epoxy resin.
(9) The Peltier cooling element according to (1), wherein a blending amount of the thermoelectric semiconductor fine particles is 30 to 99% by mass in the thermoelectric semiconductor composition.
(10) The Peltier cooling element according to any one of (1) to (9), wherein an average particle diameter of the thermoelectric semiconductor fine particles is 10 nm to 200 μm.
(11) The Peltier cooling element according to any one of (1) to (10), wherein the thermoelectric semiconductor fine particles are fine particles of a bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor material.
(12) A method for producing a Peltier cooling element using a thermoelectric conversion material having a thin film made of a thermoelectric semiconductor composition containing thermoelectric semiconductor fine particles, a heat resistant resin and an ionic liquid on a support, Applying a thermoelectric semiconductor composition containing thermoelectric semiconductor fine particles, a heat resistant resin and an ionic liquid, drying, forming a thin film, annealing the thin film, and heat having a high heat conduction portion and a low heat conduction portion The manufacturing method of the Peltier cooling element including the process of sticking a conductive film on one or both surfaces.

本発明によれば、熱電性能及び屈曲性に優れ、簡便に低コストで製造可能であるペルチェ冷却素子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the Peltier cooling element which is excellent in thermoelectric performance and flexibility, and can be manufactured simply and at low cost can be provided.

本発明のペルチェ冷却素子の構成の一例を示す斜視図であり、(a)が支持体上に設けた熱電変換素子(In−plane型熱電変換モジュール)の一例を示す斜視図であり、(b)が(a)の両面に熱伝導性フィルムを貼付して得られたペルチェ冷却素子の外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of a structure of the Peltier cooling element of this invention, (a) is a perspective view which shows an example of the thermoelectric conversion element (In-plane type thermoelectric conversion module) provided on the support body, (b) ) Is a perspective view showing an appearance of a Peltier cooling element obtained by sticking a heat conductive film on both sides of (a). 本発明のペルチェ冷却素子の冷却特性評価装置の一例を示す断面構成図である。It is a section lineblock diagram showing an example of a cooling characteristic evaluation device of a Peltier cooling element of the present invention. 従来の放熱フィルムの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the conventional heat dissipation film.

[ペルチェ冷却素子]
本発明のペルチェ冷却素子は、支持体上に、熱電半導体微粒子、耐熱性樹脂及びイオン液体を含む熱電半導体組成物からなる薄膜を有する熱電変換材料を用いたペルチェ冷却素子であって、該ペルチェ冷却素子が、該薄膜の片面又は両面に高熱伝導部と低熱伝導部とを備えた熱伝導性フィルムを含むことを特徴とする。
ペルチェ冷却素子では、通常、p型熱電素子とn型熱電素子とを電極を介し直列に接続し、pn接合部に電流を流すことにより、ペルチェ効果により、n→p接合部分(矢印の方向へ電流が流れる)では吸熱現象が、p→n接合部分(矢印の方向へ電流が流れる)では放熱現象が発生する。これにより、熱を低温側(吸熱側)から高温側(発熱側)へ輸送することができる。
また、ペルチェ冷却素子は、高温側と低温側の温度差が大きくなると、高温側から低温側に素子の内部を通って熱の逆流が増加(増加分=モジュールの熱伝導率×温度差の増加分)することから、発熱側と吸熱側との温度差が小さいほど、冷却効果が高くなる。
[Peltier cooling element]
The Peltier cooling element of the present invention is a Peltier cooling element using a thermoelectric conversion material having a thin film made of a thermoelectric semiconductor composition containing thermoelectric semiconductor fine particles, a heat resistant resin and an ionic liquid on a support, The element includes a heat conductive film having a high heat conductive portion and a low heat conductive portion on one or both surfaces of the thin film.
In a Peltier cooling element, normally, a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element are connected in series via electrodes, and a current is passed through the pn junction, thereby causing an n → p junction (in the direction of the arrow) due to the Peltier effect. An endothermic phenomenon occurs when current flows), and a heat dissipation phenomenon occurs at the p → n junction (current flows in the direction of the arrow). Thereby, heat can be transported from the low temperature side (heat absorption side) to the high temperature side (heat generation side).
Also, in the Peltier cooling element, when the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side increases, the reverse flow of heat increases from the high temperature side to the low temperature side through the inside of the element (increase = increase in module thermal conductivity x temperature difference) Therefore, the smaller the temperature difference between the heat generation side and the heat absorption side, the higher the cooling effect.

図1(a)において、In−plane型熱電変換モジュール1は、支持体2上に、薄膜のp型熱電素子3及びn型熱電素子4が電極5b、5c、5dを介し、電気的に直列に接続されている。また、図1(b)において、In−plane型ペルチェ冷却素子10は、高熱伝導部7及び低熱伝導部8からなる熱伝導性フィルム6A及び6Bが、In−plane型熱電変換モジュール1の薄膜の両面に接着剤層9を介し配置され、構成されている。
前記薄膜に備わる電極は、薄膜の長さ方向の両端部にそれぞれ少なくとも一つ以上備わることが好ましく、効率的に温度差を得る観点から、例えば、図1(a)のように対向する端部同士に備わることがより好ましい。
ここで、熱伝導性フィルム(詳細は後述する)は、例えば、ペルチェ冷却素子を構成するIn−plane型熱電変換モジュール1の電極5a、5e間に電圧を印加した時に、p型熱電素子3及びn型熱電素子4の接合部を交互に高温部又は低温部にし、熱伝導性フィルムの外面間に効率良く温度差を発生させるために用いられる。熱伝導性フィルムとIn−plane型熱電変換モジュールとの配置は、具体的には、図1(b)のように、薄膜の両面同士では高熱伝導部7と低熱伝導部8が向かい合うように対向させ、さらにそれらと電極の接合部との位置関係等を、適宜調整することが必要である。
本発明は、熱伝導率の低下に寄与する微粒子化した熱電半導体、耐熱性樹脂、及び微粒子間の空隙部での電気伝導率の低下を抑制するイオン液体を含む熱電半導体組成物からなる薄膜の片面又は両面に高熱伝導部と低熱伝導部とを備えた熱伝導性フィルムを貼付してなるIn−plane型ペルチェ冷却素子である。
In FIG. 1A, an in-plane type thermoelectric conversion module 1 includes a thin film p-type thermoelectric element 3 and an n-type thermoelectric element 4 electrically connected in series via electrodes 5b, 5c, and 5d on a support 2. It is connected to the. Further, in FIG. 1B, the In-plane type Peltier cooling element 10 has the heat conductive films 6A and 6B composed of the high heat conduction part 7 and the low heat conduction part 8 as the thin film of the In-plane type thermoelectric conversion module 1. It is arranged and configured via an adhesive layer 9 on both sides.
It is preferable that at least one of the electrodes provided in the thin film is provided at both ends in the length direction of the thin film. From the viewpoint of obtaining a temperature difference efficiently, for example, the opposite ends as shown in FIG. More preferably, they are provided with each other.
Here, when a voltage is applied between the electrodes 5a and 5e of the In-plane type thermoelectric conversion module 1 constituting the Peltier cooling element, for example, the heat conductive film (details will be described later), the p type thermoelectric element 3 and The n-type thermoelectric element 4 is used in order to generate a temperature difference efficiently between the outer surfaces of the heat conductive film by alternately changing the joint portions of the n-type thermoelectric element 4 to a high temperature portion or a low temperature portion. Specifically, the arrangement of the heat conductive film and the In-plane type thermoelectric conversion module is opposed so that the high heat conduction part 7 and the low heat conduction part 8 face each other on both surfaces of the thin film as shown in FIG. In addition, it is necessary to appropriately adjust the positional relationship between them and the electrode joint.
The present invention relates to a thin film composed of a thermoelectric semiconductor composition containing a micronized thermoelectric semiconductor that contributes to a decrease in thermal conductivity, a heat resistant resin, and an ionic liquid that suppresses a decrease in electrical conductivity in the voids between the microparticles. It is an In-plane type Peltier cooling element formed by sticking a heat conductive film having a high heat conduction part and a low heat conduction part on one side or both sides.

<熱電変換材料>
本発明のペルチェ冷却素子に用いた熱電変換材料は、支持体上に、熱電半導体微粒子、耐熱性樹脂及びイオン液体を含む熱電半導体組成物からなるものである。
本発明のペルチェ冷却素子に用いる熱電変換材料は、冷却能力及び冷却効率の観点から、p型及びn型熱電素子を交互に配列し、かつ電気的には直列に接続し、熱的には接合部の温度が、高温部と低温部とが交互になるようにして用いることが好ましく、冷却効果が損なわれない範囲で、それらを複数個使用してもよい。
<Thermoelectric conversion material>
The thermoelectric conversion material used for the Peltier cooling element of the present invention is composed of a thermoelectric semiconductor composition containing thermoelectric semiconductor fine particles, a heat resistant resin and an ionic liquid on a support.
In the thermoelectric conversion material used for the Peltier cooling element of the present invention, p-type and n-type thermoelectric elements are alternately arranged from the viewpoint of cooling capacity and cooling efficiency, electrically connected in series, and thermally bonded. The temperature of the part is preferably used so that the high temperature part and the low temperature part alternate, and a plurality of them may be used as long as the cooling effect is not impaired.

(支持体)
支持体としては、熱電変換材料の電気伝導率の低下、熱伝導率の増加に影響を及ぼさないものであれば、特に制限されず、例えば、ガラス、シリコン、プラスチックフィルム等が挙げられる。なかでも、屈曲性に優れるという点から、プラスチックフィルムが好ましい。
プラスチックフィルムとしては、具体的には、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエチレンナフタレートフィルム、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリアラミドフィルム、ポリアミドイミドフィルム、ポリエーテルケトンフィルム、ポリエーテル・エーテルケトンフィルム、ポリフェニレンサルファイドフィルム、ポリ(4−メチルペンテン−1)フィルム等が挙げられる。また、これらフィルムの積層体であってもよい。
これらの中でも、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、支持体が熱変形することなく、熱電変換材料の性能を維持することができ、耐熱性及び寸法安定性が高いという点から、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリアラミドフィルム、ポリアミドイミドフィルムが好ましく、さらに、汎用性が高いという点から、ポリイミドフィルムが特に好ましい。
(Support)
The support is not particularly limited as long as it does not affect the decrease in electrical conductivity and the increase in thermal conductivity of the thermoelectric conversion material, and examples thereof include glass, silicon, and plastic film. Of these, a plastic film is preferable from the viewpoint of excellent flexibility.
As a plastic film, specifically, a polyethylene terephthalate film, a polyethylene naphthalate film, a polyimide film, a polyamide film, a polyetherimide film, a polyaramid film, a polyamideimide film, a polyetherketone film, a polyetheretherketone film, Examples include polyphenylene sulfide films and poly (4-methylpentene-1) films. Moreover, the laminated body of these films may be sufficient.
Among these, even when a thin film made of a thermoelectric semiconductor composition is annealed, the performance of the thermoelectric conversion material can be maintained without thermal deformation of the support, and the heat resistance and dimensional stability are high. A polyimide film, a polyamide film, a polyetherimide film, a polyaramid film, and a polyamideimide film are preferable, and a polyimide film is particularly preferable because of its high versatility.

前記支持体の厚さは、屈曲性、耐熱性及び寸法安定性の観点から、1〜1000μmが好ましく、10〜500μmがより好ましく、20〜100μmがさらに好ましい。
また、上記プラスチックフィルムは、分解温度が300℃以上であることが好ましい。
The thickness of the support is preferably from 1 to 1000 μm, more preferably from 10 to 500 μm, and even more preferably from 20 to 100 μm, from the viewpoints of flexibility, heat resistance and dimensional stability.
The plastic film preferably has a decomposition temperature of 300 ° C. or higher.

(熱電半導体微粒子)
熱電変換材料に用いる熱電半導体微粒子は、熱電半導体材料を、微粉砕装置等により、所定のサイズまで粉砕することにより得られる。
(Thermoelectric semiconductor fine particles)
Thermoelectric semiconductor particles used for the thermoelectric conversion material can be obtained by pulverizing the thermoelectric semiconductor material to a predetermined size with a fine pulverizer or the like.

前記熱電半導体材料としては、特に制限されず、例えば、p型ビスマステルライド、n型ビスマステルライド、BiTe等のビスマス−テルル系熱電半導体材料;GeTe、PbTe等のテルライド系熱電半導体材料;アンチモン−テルル系熱電半導体材料;ZnSb、ZnSb2、ZnSb等の亜鉛−アンチモン系熱電半導体材料;SiGe等のシリコン−ゲルマニウム系熱電半導体材料;BiSe等のビスマスセレナイド系熱電半導体材料;β―FeSi、CrSi、MnSi1.73、MgSi等のシリサイド系熱電半導体材料;酸化物系熱電半導体材料;FeVAl、FeVAlSi、FeVTiAl等のホイスラー材料、TiS等の硫化物系熱電半導体材料等が用いられる。 The thermoelectric semiconductor material is not particularly limited, and examples thereof include bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor materials such as p-type bismuth telluride, n-type bismuth telluride, and Bi 2 Te 3 ; telluride-based thermoelectric semiconductor materials such as GeTe and PbTe; -Tellurium-based thermoelectric semiconductor materials; zinc-antimony-based thermoelectric semiconductor materials such as ZnSb, Zn 3 Sb 2 and Zn 4 Sb 3 ; silicon-germanium-based thermoelectric semiconductor materials such as SiGe; bismuth selenide-based thermoelectrics such as Bi 2 Se 3 Semiconductor materials; Silicide-based thermoelectric semiconductor materials such as β-FeSi 2 , CrSi 2 , MnSi 1.73 , Mg 2 Si; Oxide-based thermoelectric semiconductor materials; Heusler materials such as FeVA1, FeVA1Si, and FeVTiAl, sulfides such as TiS 2 A system thermoelectric semiconductor material or the like is used.

これらの中でも、本発明に用いる前記熱電半導体材料は、p型ビスマステルライド又はn型ビスマステルライド、BiTe等のビスマス−テルル系熱電半導体材料であることが好ましい。
前記p型ビスマステルライドは、キャリアが正孔で、ゼーベック係数が正値であり、例えば、BiTeSb2−Xで表わされるものが好ましく用いられる。この場合、Xは、好ましくは0<X≦0.8であり、より好ましくは0.4≦X≦0.6である。Xが0より大きく0.8以下であるとゼーベック係数と電気伝導率が大きくなり、p型熱電変換材料としての特性が維持されるので好ましい。
また、前記n型ビスマステルライドは、キャリアが電子で、ゼーベック係数が負値であり、例えば、BiTe3−YSeで表わされるものが好ましく用いられる。この場合、Yは、好ましくは0≦Y≦3であり、より好ましくは0≦Y≦2.7である。Yが0以上3以下であるとゼーベック係数と電気伝導率が大きくなり、n型熱電変換材料としての特性が維持されるので好ましい。
Among these, it is preferable that the thermoelectric semiconductor material used in the present invention is a bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor material such as p-type bismuth telluride, n-type bismuth telluride, or Bi 2 Te 3 .
In the p-type bismuth telluride, carriers are holes and the Seebeck coefficient is a positive value, and, for example, those represented by Bi X Te 3 Sb 2-X are preferably used. In this case, X is preferably 0 <X ≦ 0.8, and more preferably 0.4 ≦ X ≦ 0.6. It is preferable that X is greater than 0 and less than or equal to 0.8 because the Seebeck coefficient and electrical conductivity are increased, and the characteristics as a p-type thermoelectric conversion material are maintained.
The n-type bismuth telluride preferably has an electron as a carrier and a negative Seebeck coefficient, for example, Bi 2 Te 3 -Y Se Y. In this case, Y is preferably 0 ≦ Y ≦ 3, and more preferably 0 ≦ Y ≦ 2.7. It is preferable that Y is 0 or more and 3 or less because the Seebeck coefficient and electrical conductivity are increased, and the characteristics as an n-type thermoelectric conversion material are maintained.

熱電半導体微粒子の前記熱電半導体組成物中の配合量は、好ましくは、30〜99質量%である。より好ましくは、50〜96質量%であり、さらに好ましくは、70〜95質量%である。熱電半導体微粒子の配合量が、上記範囲内であれば、ゼーベック係数すなわちペルチェ係数の絶対値が大きく、また電気伝導率の低下が抑制され、熱伝導率のみが低下するため高い熱電性能を示すとともに、十分な皮膜強度、屈曲性を有する膜が得られ好ましい。   The blending amount of the thermoelectric semiconductor fine particles in the thermoelectric semiconductor composition is preferably 30 to 99% by mass. More preferably, it is 50-96 mass%, More preferably, it is 70-95 mass%. If the compounding amount of the thermoelectric semiconductor fine particles is within the above range, the Seebeck coefficient, that is, the absolute value of the Peltier coefficient is large, the decrease in electrical conductivity is suppressed, and only the thermal conductivity is reduced, so that high thermoelectric performance is exhibited A film having sufficient film strength and flexibility is preferably obtained.

熱電半導体微粒子の平均粒径は、好ましくは、10nm〜200μm、より好ましくは、10nm〜30μm、さらに好ましくは、50nm〜10μm、特に好ましくは、1〜6μmである。上記範囲内であれば、均一分散が容易になり、電気伝導率を高くすることができる。
前記熱電半導体材料を粉砕して熱電半導体微粒子を得る方法は特に限定されず、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル、コロイドミル、コニカルミル、ディスクミル、エッジミル、製粉ミル、ハンマーミル、ペレットミル、ウィリーミル、ローラーミル等の公知の微粉砕装置等により、所定のサイズまで粉砕すればよい。
なお、熱電半導体微粒子の平均粒径は、レーザー回折式粒度分析装置(CILAS社製、1064型)にて測定することにより得られ、粒径分布の中央値とした。
The average particle diameter of the thermoelectric semiconductor fine particles is preferably 10 nm to 200 μm, more preferably 10 nm to 30 μm, still more preferably 50 nm to 10 μm, and particularly preferably 1 to 6 μm. If it is in the said range, uniform dispersion | distribution will become easy and electrical conductivity can be made high.
A method for obtaining thermoelectric semiconductor fine particles by pulverizing the thermoelectric semiconductor material is not particularly limited, and is a jet mill, ball mill, bead mill, colloid mill, conical mill, disc mill, edge mill, milling mill, hammer mill, pellet mill, wheelie mill, roller. What is necessary is just to grind | pulverize to predetermined size by well-known fine grinding | pulverization apparatuses, such as a mill.
The average particle size of the thermoelectric semiconductor fine particles was obtained by measuring with a laser diffraction particle size analyzer (CILAS, type 1064), and was the median value of the particle size distribution.

また、熱電半導体微粒子は、アニール処理(以下、「アニール処理A」ということがある。)されたものであることが好ましい。アニール処理Aを行うことにより、熱電半導体微粒子は、結晶性が向上し、さらに、熱電半導体微粒子の表面酸化膜が除去されるため、熱電変換材料のゼーベック係数すなわちペルチェ係数が増大し、熱電性能指数をさらに向上させることができる。アニール処理Aは、特に限定されないが、熱電半導体組成物を調製する前に、熱電半導体微粒子に悪影響を及ぼすことがないように、ガス流量が制御された、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、同じく水素等の還元ガス雰囲気下、または真空条件下で行うことが好ましく、不活性ガス及び還元ガスの混合ガス雰囲気下で行うことがより好ましい。具体的な温度条件は、用いる熱電半導体微粒子に依存するが、通常、微粒子の融点以下の温度で、かつ100〜1500℃で、数分〜数十時間行うことが好ましい。   The thermoelectric semiconductor fine particles are preferably those that have been annealed (hereinafter sometimes referred to as “annealing process A”). By performing the annealing treatment A, the thermoelectric semiconductor fine particles are improved in crystallinity, and the surface oxide film of the thermoelectric semiconductor fine particles is removed, so that the Seebeck coefficient, that is, the Peltier coefficient of the thermoelectric conversion material is increased, and the thermoelectric performance index is increased. Can be further improved. Annealing treatment A is not particularly limited, but under an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon in which the gas flow rate is controlled so as not to adversely affect the thermoelectric semiconductor fine particles before preparing the thermoelectric semiconductor composition. Similarly, it is preferably carried out under a reducing gas atmosphere such as hydrogen or under vacuum conditions, and more preferably under a mixed gas atmosphere of an inert gas and a reducing gas. Although specific temperature conditions depend on the thermoelectric semiconductor fine particles used, it is usually preferable to carry out at a temperature not higher than the melting point of the fine particles and at 100 to 1500 ° C. for several minutes to several tens of hours.

(イオン液体)
本発明で用いるイオン液体は、カチオンとアニオンとを組み合わせてなる溶融塩であり、−50〜500℃の幅広い温度領域において液体で存在し得る塩をいう。イオン液体は、蒸気圧が極めて低く不揮発性であること、優れた熱安定性及び電気化学安定性を有していること、粘度が低いこと、かつイオン伝導度が高いこと等の特徴を有しているため、導電補助剤として、熱電半導体微粒子間の電気伝導率の低減を効果的に抑制することができる。また、イオン液体は、非プロトン性のイオン構造に基づく高い極性を示し、耐熱性樹脂との相溶性に優れるため、熱電変換材料の電気伝導率を均一にすることができる。
(Ionic liquid)
The ionic liquid used in the present invention is a molten salt formed by combining a cation and an anion, and refers to a salt that can exist as a liquid in a wide temperature range of −50 to 500 ° C. Ionic liquids have features such as extremely low vapor pressure, non-volatility, excellent thermal stability and electrochemical stability, low viscosity, and high ionic conductivity. Therefore, the reduction of the electrical conductivity between the thermoelectric semiconductor fine particles can be effectively suppressed as a conductive auxiliary agent. Moreover, since the ionic liquid has high polarity based on the aprotic ionic structure and is excellent in compatibility with the heat-resistant resin, the electric conductivity of the thermoelectric conversion material can be made uniform.

イオン液体は、公知または市販のものが使用できる。例えば、ピリジニウム、ピリミジニウム、ピラゾリウム、ピロリジニウム、ピペリジニウム、イミダゾリウム等の窒素含有環状カチオン化合物及びそれらの誘導体;テトラアルキルアンモニウムのアミン系カチオン及びそれらの誘導体;ホスホニウム、トリアルキルスルホニウム、テトラアルキルホスホニウム等のホスフィン系カチオン及びそれらの誘導体;リチウムカチオン及びその誘導体等のカチオン成分と、Cl、AlCl 、AlCl 、ClO 等の塩化物イオン、Br等の臭化物イオン、I等のヨウ化物イオン、BF 、PF 等のフッ化物イオン、F(HF) 等のハロゲン化物アニオン、NO 、CHCOO、CFCOO、CHSO 、CFSO 、(FSO、(CFSO、(CFSO、AsF 、SbF 、NbF 、TaF 、F(HF)n、(CN)、CSO 、(CSO、CCOO、(CFSO)(CFCO)N等のアニオン成分とから構成されるものが挙げられる。 Known or commercially available ionic liquids can be used. For example, nitrogen-containing cyclic cation compounds such as pyridinium, pyrimidinium, pyrazolium, pyrrolidinium, piperidinium, imidazolium and their derivatives; amine-based cations of tetraalkylammonium and their derivatives; phosphines such as phosphonium, trialkylsulfonium and tetraalkylphosphonium Cationic cations and derivatives thereof; cation components such as lithium cations and derivatives thereof; chloride ions such as Cl , AlCl 4 , Al 2 Cl 7 , ClO 4 , bromide ions such as Br , I − and the like Iodide ions, BF 4 , fluoride ions such as PF 6 , halide anions such as F (HF) n , NO 3 , CH 3 COO , CF 3 COO , CH 3 SO 3 , CF 3 SO 3 -, FSO 2) 2 N -, ( CF 3 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, AsF 6 -, SbF 6 -, NbF 6 -, TaF 6 -, F (HF) n -, (CN) 2 N -, C 4 F 9 SO 3 -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, C 3 F 7 COO -, (CF 3 SO 2) (CF 3 CO) N - like anion The thing comprised from a component is mentioned.

上記のイオン液体の中で、高温安定性、熱電半導体微粒子及び樹脂との相溶性、熱電半導体微粒子間隙の電気伝導率の低下抑制等の観点から、イオン液体のカチオン成分が、ピリジニウムカチオン及びその誘導体、イミダゾリウムカチオン及びその誘導体から選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。イオン液体のアニオン成分が、ハロゲン化物アニオンを含むことが好ましく、Cl、Br及びIから選ばれる少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。 Among the above ionic liquids, the cation component of the ionic liquid is a pyridinium cation and a derivative thereof from the viewpoints of high temperature stability, compatibility with thermoelectric semiconductor fine particles and resin, and suppression of decrease in electrical conductivity of the gap between thermoelectric semiconductor fine particles. It is preferable to contain at least one selected from imidazolium cations and derivatives thereof. The anion component of the ionic liquid preferably contains a halide anion, and more preferably contains at least one selected from Cl , Br and I .

カチオン成分が、ピリジニウムカチオン及びその誘導体を含むイオン液体の具体的な例として、4−メチル−ブチルピリジニウムクロライド、3−メチル−ブチルピリジニウムクロライド、4−メチル−ヘキシルピリジニウムクロライド、3−メチル−ヘキシルピリジニウムクロライド、4−メチル−オクチルピリジニウムクロライド、3−メチル−オクチルピリジニウムクロライド、3、4−ジメチル−ブチルピリジニウムクロライド、3、5−ジメチル−ブチルピリジニウムクロライド、4−メチル−ブチルピリジニウムテトラフルオロボレート、4−メチル−ブチルピリジニウムヘキサフルオロホスフェート、1-ブチル-4-メチルピリジニウムブロミド、1-ブチル-4-メチルピリジニウムヘキサフルオロホスファート、1-ブチル-4-メチルピリジニウムヨージド等が挙げられる。この中で、1−ブチル−4−メチルピリジニウムブロミド、1−ブチル−4−メチルピリジニウムヘキサフルオロホスファート、1-ブチル-4-メチルピリジニウムヨージドが好ましい。   Specific examples of ionic liquids in which the cation component includes a pyridinium cation and derivatives thereof include 4-methyl-butylpyridinium chloride, 3-methyl-butylpyridinium chloride, 4-methyl-hexylpyridinium chloride, and 3-methyl-hexylpyridinium. Chloride, 4-methyl-octylpyridinium chloride, 3-methyl-octylpyridinium chloride, 3,4-dimethyl-butylpyridinium chloride, 3,5-dimethyl-butylpyridinium chloride, 4-methyl-butylpyridinium tetrafluoroborate, 4- Methyl-butylpyridinium hexafluorophosphate, 1-butyl-4-methylpyridinium bromide, 1-butyl-4-methylpyridinium hexafluorophosphate, 1-butyl-4-methyl Lupi lysine iodide and the like. Among these, 1-butyl-4-methylpyridinium bromide, 1-butyl-4-methylpyridinium hexafluorophosphate, and 1-butyl-4-methylpyridinium iodide are preferable.

また、カチオン成分が、イミダゾリウムカチオン及びその誘導体を含むイオン液体の具体的な例として、[1−ブチル−3−(2−ヒドロキシエチル)イミダゾリウムブロミド]、[1−ブチル−3−(2−ヒドロキシエチル)イミダゾリウムテトラフルオロボレイト]、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムブロミド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−オクチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−デシル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−デシル−3−メチルイミダゾリウムブロミド、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−テトラデシル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフロオロボレート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフロオロボレート、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムテトラフロオロボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−メチル−3−ブチルイミダゾリウムメチルスルフェート、1、3−ジブチルイミダゾリウムメチルスルフェート等が挙げられる。この中で、[1−ブチル−3−(2−ヒドロキシエチル)イミダゾリウムブロミド]、[1−ブチル−3−(2−ヒドロキシエチル)イミダゾリウムテトラフルオロボレイト]が好ましい。   Specific examples of the ionic liquid in which the cation component includes an imidazolium cation and a derivative thereof include [1-butyl-3- (2-hydroxyethyl) imidazolium bromide], [1-butyl-3- (2 -Hydroxyethyl) imidazolium tetrafluoroborate], 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, 1-ethyl-3-methylimidazolium bromide, 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1-hexyl-3 -Methylimidazolium chloride, 1-octyl-3-methylimidazolium chloride, 1-decyl-3-methylimidazolium chloride, 1-decyl-3-methylimidazolium bromide, 1-dodecyl-3-methylimidazolium chloride, 1-tetradecyl-3-methylimidazo Um chloride, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-hexyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-ethyl-3 -Methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-methyl-3-butylimidazolium methyl sulfate, 1,3-dibutylimidazolium methyl sulfate, and the like. Among these, [1-butyl-3- (2-hydroxyethyl) imidazolium bromide] and [1-butyl-3- (2-hydroxyethyl) imidazolium tetrafluoroborate] are preferable.

上記のイオン液体は、電気伝導率が10−7S/cm以上であることが好ましく、10−6S/cm以上であることがより好ましい。イオン伝導度が上記範囲であれば、導電補助剤として、熱電半導体微粒子間の電気伝導率の低減を効果的に抑制することができる。 The ionic liquid preferably has an electric conductivity of 10 −7 S / cm or more, and more preferably 10 −6 S / cm or more. If the ionic conductivity is in the above range, it is possible to effectively suppress a reduction in electrical conductivity between the thermoelectric semiconductor fine particles as a conductive auxiliary agent.

また、上記のイオン液体は、分解温度が300℃以上であることが好ましい。分解温度が上記範囲であれば、後述するように、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、導電補助剤としての効果を維持することができる。   The ionic liquid preferably has a decomposition temperature of 300 ° C. or higher. If the decomposition temperature is within the above range, the effect as a conductive additive can be maintained even when a thin film made of a thermoelectric semiconductor composition is annealed as described later.

また、上記のイオン液体は、熱重量測定(TG)による300℃における質量減少率が10%以下であることが好ましく、5%以下であることがより好ましく、1%以下であることがさらに好ましい。質量減少率が上記範囲であれば、後述するように、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、導電補助剤としての効果を維持することができる。   Further, the ionic liquid has a mass reduction rate at 300 ° C. by thermogravimetry (TG) of preferably 10% or less, more preferably 5% or less, and further preferably 1% or less. . When the mass reduction rate is in the above range, as described later, even when the thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is annealed, the effect as the conductive auxiliary agent can be maintained.

前記イオン液体の前記熱電半導体組成物中の配合量は、好ましくは0.01〜50質量%、より好ましくは0.5〜30質量%、さらに好ましくは1.0〜20質量%である。前記イオン液体の配合量が、上記範囲内であれば、電気伝導率の低下が効果的に抑制され、高い熱電性能を有する膜が得られる。   The blending amount of the ionic liquid in the thermoelectric semiconductor composition is preferably 0.01 to 50% by mass, more preferably 0.5 to 30% by mass, and still more preferably 1.0 to 20% by mass. When the blending amount of the ionic liquid is within the above range, a decrease in electrical conductivity is effectively suppressed, and a film having high thermoelectric performance can be obtained.

(耐熱性樹脂)
本発明に用いる耐熱性樹脂は、熱電半導体微粒子間のバインダーとして働き、熱電変換材料の屈曲性を高めるためのものである。該耐熱性樹脂は、特に制限されるものではないが、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理等により熱電半導体微粒子を結晶成長させる際に、樹脂としての機械的強度及び熱伝導率等の諸物性が損なわれず維持される耐熱性樹脂を用いる。
前記耐熱性樹脂としては、例えば、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、エポキシ樹脂、及びこれらの樹脂の化学構造を有する共重合体等が挙げられる。前記耐熱性樹脂は、単独でも又は2種以上組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、耐熱性がより高く、且つ薄膜中の熱電半導体微粒子の結晶成長に悪影響を及ぼさないという点から、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂が好ましく、屈曲性に優れるという点からポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂がより好ましい。前述の支持体として、ポリイミドフィルムを用いた場合、該ポリイミドフィルムとの密着性などの点から、耐熱性樹脂としては、ポリイミド樹脂がより好ましい。なお、本発明においてポリイミド樹脂とは、ポリイミド及びその前駆体を総称する。
(Heat resistant resin)
The heat resistant resin used in the present invention serves as a binder between the thermoelectric semiconductor fine particles, and is for increasing the flexibility of the thermoelectric conversion material. The heat-resistant resin is not particularly limited, but when the thermoelectric semiconductor fine particles are crystal-grown by annealing treatment or the like for the thin film made of the thermoelectric semiconductor composition, various materials such as mechanical strength and thermal conductivity as the resin are used. A heat resistant resin that maintains the physical properties without being damaged is used.
Examples of the heat resistant resin include polyamide resin, polyamideimide resin, polyimide resin, polyetherimide resin, polybenzoxazole resin, polybenzimidazole resin, epoxy resin, and copolymers having a chemical structure of these resins. Is mentioned. The heat resistant resins may be used alone or in combination of two or more. Among these, polyamide resin, polyamideimide resin, polyimide resin, and epoxy resin are preferable because they have higher heat resistance and do not adversely affect the crystal growth of thermoelectric semiconductor fine particles in the thin film, and have excellent flexibility. More preferred are polyamide resins, polyamideimide resins, and polyimide resins. When a polyimide film is used as the above-mentioned support, a polyimide resin is more preferable as the heat-resistant resin in terms of adhesion to the polyimide film. In the present invention, the polyimide resin is a general term for polyimide and its precursor.

前記耐熱性樹脂は、分解温度が300℃以上であることが好ましい。分解温度が上記範囲であれば、後述するように、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、バインダーとして機能が失われることなく、熱電変換材料の屈曲性を維持することができる。   The heat resistant resin preferably has a decomposition temperature of 300 ° C. or higher. If the decomposition temperature is within the above range, the flexibility of the thermoelectric conversion material can be maintained without losing the function as a binder even when the thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is annealed as described later.

また、前記耐熱性樹脂は、熱重量測定(TG)による300℃における質量減少率が10%以下であることが好ましく、5%以下であることがより好ましく、1%以下であることがさらに好ましい。質量減少率が上記範囲であれば、後述するように、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、バインダーとして機能が失われることなく、熱電変換材料の屈曲性を維持することができる。   The heat-resistant resin preferably has a mass reduction rate at 300 ° C. by thermogravimetry (TG) of 10% or less, more preferably 5% or less, and still more preferably 1% or less. . If the mass reduction rate is in the above range, the flexibility of the thermoelectric conversion material can be maintained without losing the function as a binder even when the thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is annealed as described later. .

前記耐熱性樹脂の前記熱電半導体組成物中の配合量は、0.1〜40質量%、好ましくは0.5〜20質量%、より好ましくは、1〜20質量%、さらに好ましくは2〜15質量%である。前記耐熱性樹脂の配合量が、上記範囲内であれば、高い熱電性能と皮膜強度が両立した膜が得られる。   The compounding amount of the heat-resistant resin in the thermoelectric semiconductor composition is 0.1 to 40% by mass, preferably 0.5 to 20% by mass, more preferably 1 to 20% by mass, and further preferably 2 to 15%. % By mass. When the blending amount of the heat resistant resin is within the above range, a film having both high thermoelectric performance and film strength can be obtained.

本発明で用いる熱電半導体組成物には、前記熱半導体微粒子、前記耐熱性樹脂及び前記イオン液体以外に、必要に応じて、さらに分散剤、造膜助剤、光安定剤、酸化防止剤、粘着付与剤、可塑剤、着色剤、樹脂安定剤、充てん剤、顔料、導電性フィラー、導電性高分子、硬化剤等の他の添加剤を含んでいてもよい。これらの添加剤は、1種単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。   In addition to the thermal semiconductor fine particles, the heat-resistant resin, and the ionic liquid, the thermoelectric semiconductor composition used in the present invention may further include a dispersant, a film-forming aid, a light stabilizer, an antioxidant, an adhesive as necessary. Other additives such as an imparting agent, a plasticizer, a colorant, a resin stabilizer, a filler, a pigment, a conductive filler, a conductive polymer, and a curing agent may be included. These additives can be used alone or in combination of two or more.

本発明で用いる熱電半導体組成物の調製方法は、特に制限はなく、超音波ホモジナイザー、スパイラルミキサー、プラネタリーミキサー、ディスパーサー、ハイブリッドミキサー等の公知の方法により、前記熱電半導体微粒子と前記イオン液体及び前記耐熱性樹脂、必要に応じて前記その他の添加剤、さらに溶媒を加えて、混合分散させ、当該熱電半導体組成物を調製すればよい。
前記溶媒としては、例えば、トルエン、酢酸エチル、メチルエチルケトン、アルコール、テトラヒドロフラン、メチルピロリドン、エチルセロソルブ等の溶媒などが挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。熱電半導体組成物の固形分濃度としては、該組成物が塗工に適した粘度であればよく、特に制限はない。
The method for preparing the thermoelectric semiconductor composition used in the present invention is not particularly limited, and the thermoelectric semiconductor fine particles, the ionic liquid, and the ionic liquid can be obtained by a known method such as an ultrasonic homogenizer, a spiral mixer, a planetary mixer, a disperser, or a hybrid mixer. What is necessary is just to add the said heat resistant resin, the said other additive as needed, and also a solvent, and mix and disperse | distribute it and prepare the said thermoelectric semiconductor composition.
Examples of the solvent include solvents such as toluene, ethyl acetate, methyl ethyl ketone, alcohol, tetrahydrofuran, methyl pyrrolidone, and ethyl cellosolve. These solvents may be used alone or in a combination of two or more. The solid content concentration of the thermoelectric semiconductor composition is not particularly limited as long as the composition has a viscosity suitable for coating.

前記熱電半導体組成物からなる薄膜は、後述するペルチェ冷却素子の製造方法で説明するように、支持体上に、前記熱電半導体組成物を塗布し、乾燥することで形成することができる。このように形成することで、簡便に低コストで大面積の熱電変換材料を得ることができる。   The thin film made of the thermoelectric semiconductor composition can be formed by applying the thermoelectric semiconductor composition onto a support and drying it, as will be described in the method for producing a Peltier cooling element described later. By forming in this way, a large-area thermoelectric conversion material can be easily obtained at low cost.

前記熱電半導体組成物からなる薄膜の厚みは、特に制限はないが、熱電性能と皮膜強度の点から、好ましくは100nm〜200μm、より好ましくは300nm〜150μm、さらに好ましくは5μm〜150μmである。本発明のペルチェ冷却素子は熱伝導性フィルムの貼付により200μm以下の薄膜であっても、従来の数mmオーダーのモジュールと同等の温度差を付与することが可能である。   The thickness of the thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is not particularly limited, but is preferably 100 nm to 200 μm, more preferably 300 nm to 150 μm, and further preferably 5 μm to 150 μm from the viewpoint of thermoelectric performance and film strength. Even if the Peltier cooling element of the present invention is a thin film of 200 μm or less by sticking a heat conductive film, it is possible to give a temperature difference equivalent to that of a conventional module of several mm order.

<熱伝導性フィルム>
In−plane型熱電変換モジュールにおいては、電気的に直列に接続された、薄膜からなるp型及びn型熱電素子の接合部の温度が、接続方向に、例えば、交互に高温部及び低温部となる。本発明に用いる熱伝導性フィルムは、生じた高温部と低温部間の面内方向の温度勾配を、特定の方向に選択的に変換する、すなわち、熱伝導性フィルムの厚み方向の温度勾配に変換するために用いられる。具体的には、熱伝導性フィルムの構成、配置等を適宜調整し、熱伝導性フィルム外面間の温度差を効率良く得られるように制御することにより、In−plane型ペルチェ冷却素子とした時に、冷却性能をより向上させることができる。また、前記熱電変換材料と組み合わせることで、さらに優れた冷却効果が得られる。
<Thermal conductive film>
In the in-plane type thermoelectric conversion module, the temperature of the junction of the thin film p-type and n-type thermoelectric elements connected in series is, for example, alternately between the high-temperature part and the low-temperature part. Become. The heat conductive film used in the present invention selectively converts the generated temperature gradient in the in-plane direction between the high temperature portion and the low temperature portion into a specific direction, that is, to a temperature gradient in the thickness direction of the heat conductive film. Used to convert. Specifically, when the In-plane type Peltier cooling element is obtained by appropriately adjusting the configuration, arrangement, and the like of the heat conductive film and controlling the temperature difference between the outer surfaces of the heat conductive film efficiently. The cooling performance can be further improved. Moreover, the further excellent cooling effect is acquired by combining with the said thermoelectric conversion material.

本発明に用いる熱伝導性フィルムは、高熱伝導部と低熱伝導部とから構成される。熱伝導性フィルムは、用途に応じて、例えば、薄膜との絶縁性、密着強度を向上させる等のために、接着剤層を積層することが好ましい。
例えば、図1(b)における熱伝導性フィルム6A又は6Bは、高熱伝導部7と低熱伝導部8とからなり、高熱伝導部7と低熱伝導部8とが交互に配置され、さらに接着剤層9が積層されたフィルム構成となっている。熱伝導性フィルムを構成する高熱伝導部と低熱伝導部の配置は、特に制限されず、適宜調整して用いられる。
The heat conductive film used for this invention is comprised from a high heat conduction part and a low heat conduction part. The heat conductive film is preferably laminated with an adhesive layer, for example, in order to improve insulation with the thin film, adhesion strength, and the like, depending on the application.
For example, the heat conductive film 6A or 6B in FIG. 1B is composed of a high heat conductive portion 7 and a low heat conductive portion 8, and the high heat conductive portion 7 and the low heat conductive portion 8 are alternately arranged, and further an adhesive layer. 9 has a laminated film structure. Arrangement | positioning in particular of the high heat conduction part and low heat conduction part which comprises a heat conductive film is not restrict | limited, It adjusts and uses suitably.

〈高熱伝導部〉
高熱伝導部は、樹脂組成物、金属等から形成されるが、柔軟性の優れるフィルムが得られることから、樹脂組成物から形成されることが好ましい。前記高熱伝導部の形状は、特に制限はなく、用いるペルチェ冷却素子の仕様に応じて、適宜変更することができる。ここで、本発明における高熱伝導部は、後述する低熱伝導部よりも熱伝導率が高いほうをいう。
<High heat conduction part>
The high heat conduction part is formed from a resin composition, metal, or the like, but is preferably formed from a resin composition because a film having excellent flexibility can be obtained. There is no restriction | limiting in particular in the shape of the said high heat conductive part, According to the specification of the Peltier cooling element to be used, it can change suitably. Here, the high thermal conductivity portion in the present invention refers to the one having higher thermal conductivity than the low thermal conductivity portion described later.

(樹脂)
高熱伝導部に用いる樹脂は、特に限定されないが、電子部品分野等で使用されているものの中から任意の樹脂を適宜選択することができる。
樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、光硬化性樹脂等が挙げられる。耐熱性に優れ、放熱性が低下しにくいという点からポリイミド、ポリアミドイミドが好ましい。
(resin)
The resin used for the high heat conduction part is not particularly limited, but any resin can be appropriately selected from those used in the field of electronic components.
Examples of the resin include a thermosetting resin, a thermoplastic resin, and a photocurable resin. Polyimide and polyamideimide are preferable because they are excellent in heat resistance and heat dissipation is not easily lowered.

高熱伝導部は、所望の熱伝導率に調整するために、上記樹脂と熱伝導性フィラー及び/又は導電性炭素化合物とを含む樹脂組成物から形成されることが好ましい。
以下、熱伝導性フィラー及び導電性炭素化合物を「熱伝導率調整用物質」ということがある。
熱伝導性フィラーとしては、特に制限はないが、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム等の金属酸化物、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化ホウ素等の金属窒化物、銅、アルミニウム等の金属から選ばれる少なくとも1種類、また、導電性炭素化合物としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェン、カーボンナノファイバー等から選ばれる少なくとも1種類が好ましい。
In order to adjust the high thermal conductivity part to a desired thermal conductivity, it is preferable that the high thermal conductivity part is formed from a resin composition containing the resin and the thermal conductive filler and / or the conductive carbon compound.
Hereinafter, the thermally conductive filler and the conductive carbon compound may be referred to as “thermal conductivity adjusting substance”.
The heat conductive filler is not particularly limited, but is selected from metal oxides such as silica, alumina and magnesium oxide, metal nitrides such as silicon nitride, aluminum nitride, magnesium nitride and boron nitride, and metals such as copper and aluminum. As the conductive carbon compound, at least one selected from carbon black, carbon nanotube (CNT), graphene, carbon nanofiber, and the like is preferable.

〈低熱伝導部〉
低熱伝導部は、前記高熱伝導部よりも熱伝導率が低い材料であれば特に限定されず、樹脂組成物、金属等から形成される。なかでも、柔軟性の優れる基材が得られることから、樹脂組成物から形成されることが好ましい。樹脂としては、特に制限されないが、前述した高熱伝導部に用いた樹脂と同一種類の樹脂が挙げられる。通常、機械的特性、接着性等の観点から高熱伝導部に用いる樹脂と同一樹脂を用いる。
なお、前記高熱伝導部の熱伝導率より十分低ければ、該樹脂組成物中に熱伝導率調整用物質を含んでいてもよく、例えば、硬化収縮率の低減効果を有する中空フィラー等が挙げられる。
中空フィラーとしては、特に制限されず、公知のものを用いることができ、例えば、ガラスバルーン、シリカバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン、金属ケイ酸塩等のバルーン(中空体)である無機物系中空フィラー、また、アクリロニトリル、塩化ビニリデン、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、尿素樹脂等のバルーン(中空体)である有機樹脂物系中空フィラーが挙げられる。中空フィラーは1種単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。このなかで、物質自身の熱伝導率が金属酸化物の中で比較的低く、さらに体積抵抗率、コストの観点から、無機物系中空フィラーであるガラス中空フィラー、又はシリカ中空フィラーが好ましい。具体的には、ガラス中空フィラーとしては、例えば、住友スリーエム社製のグラスバブルズ(ソーダ石灰硼珪酸ガラス)等が、シリカ中空フィラーとしては、例えば、日鉄鉱業株式会社製のシリナックス(登録商標)等が挙げられる。
なお、本発明における、「中空フィラー」とは、フィラーを構成材料とする外殻を有し、内部が中空構造(内部は空気以外に、不活性気体等の気体で満たされていてもよく、真空であってもよい)となっているフィラーをいい、該中空構造としては、特に制限されず、例えば、中空構造が球体であっても楕円体等であってもよく、中空構造が複数あってもよい。
中空フィラーの形状は、特に制限されるものではないが、本発明のペルチェ冷却素子に貼付した際に、それらの接触又は機械的損傷により、冷却特性又は電気特性等が損なわれない形状であればよく、例えば、板状(鱗片状を含む)、球状、針状、棒状、繊維状のいずれでもよい。均一分散、熱伝導率性を低下させる観点からは、球状であることが好ましい。
<Low heat conduction part>
The low thermal conductive part is not particularly limited as long as it has a lower thermal conductivity than the high thermal conductive part, and is formed from a resin composition, a metal, or the like. Especially, since the base material which is excellent in a softness | flexibility is obtained, forming from a resin composition is preferable. Although it does not restrict | limit especially as resin, Resin of the same kind as resin used for the high heat conductive part mentioned above is mentioned. Usually, the same resin as that used for the high thermal conductivity portion is used from the viewpoint of mechanical properties, adhesiveness, and the like.
In addition, if it is sufficiently lower than the thermal conductivity of the high thermal conductivity portion, the resin composition may contain a material for adjusting thermal conductivity, and examples thereof include a hollow filler having an effect of reducing the curing shrinkage rate. .
The hollow filler is not particularly limited, and known ones can be used. For example, inorganic hollows such as glass balloons, silica balloons, shirasu balloons, fly ash balloons, metal silicate balloons (hollow bodies). Examples of the filler include organic resin-based hollow fillers that are balloons (hollow bodies) such as acrylonitrile, vinylidene chloride, phenolic resin, epoxy resin, and urea resin. A hollow filler can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. Among these, the thermal conductivity of the substance itself is relatively low among metal oxides, and from the viewpoint of volume resistivity and cost, glass hollow fillers or silica hollow fillers that are inorganic hollow fillers are preferred. Specifically, as the glass hollow filler, for example, Glass Bubbles (soda lime borosilicate glass) manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd., and as the silica hollow filler, for example, Silax (registered by Nippon Steel Mining Co., Ltd.) Trademark) and the like.
In addition, in the present invention, the “hollow filler” has an outer shell having a filler as a constituent material, and the inside is a hollow structure (the inside may be filled with a gas such as an inert gas other than air, The hollow structure is not particularly limited. For example, the hollow structure may be a sphere or an ellipsoid, and there are a plurality of hollow structures. May be.
The shape of the hollow filler is not particularly limited as long as it is a shape that does not impair the cooling characteristics or electrical characteristics due to contact or mechanical damage when pasted on the Peltier cooling element of the present invention. For example, any of a plate shape (including a scale shape), a spherical shape, a needle shape, a rod shape, and a fiber shape may be used. From the viewpoint of reducing uniform dispersion and thermal conductivity, a spherical shape is preferable.

高熱伝導部及び低熱伝導部のそれぞれの層の厚さは、1〜200μmが好ましく、3〜100μmがさらに好ましい。この範囲であれば、熱を特定の方向に選択的に放熱することができる。また、高熱伝導部及び低熱伝導部のそれぞれの層の厚さは、同じであっても異なっていてもよい。
高熱伝導部及び低熱伝導部のそれぞれの層の幅は、適用するペルチェ冷却素子の仕様により適宜調整して用いるが、通常、0.01〜3mm、好ましくは0.1〜2mm、さらに好ましくは0.5〜1.5mmである。この範囲であれば、熱を特定の方向に選択的に放熱することができる。また、高熱伝導部及び低熱伝導部のそれぞれの層の幅は、同じであっても異なっていてもよい。
The thickness of each layer of the high heat conduction part and the low heat conduction part is preferably 1 to 200 μm, more preferably 3 to 100 μm. Within this range, heat can be selectively radiated in a specific direction. Moreover, the thickness of each layer of the high heat conduction part and the low heat conduction part may be the same or different.
The width of each layer of the high heat conduction part and the low heat conduction part is appropriately adjusted according to the specification of the Peltier cooling element to be used, but is usually 0.01 to 3 mm, preferably 0.1 to 2 mm, and more preferably 0. .5 to 1.5 mm. Within this range, heat can be selectively radiated in a specific direction. Moreover, the width of each layer of the high heat conduction part and the low heat conduction part may be the same or different.

高熱伝導部の熱伝導率は、低熱伝導部の熱伝導率に比べて十分に高ければよく、熱伝導率が0.5(W/m・K)以上が好ましく、1.0(W/m・K)以上がより好ましく、1.3(W/m・K)以上がさらに好ましい。高熱伝導部の熱伝導率の上限は、特に制限はないが、通常2000(W/m・K)以下が好ましく、500(W/m・K)以下がより好ましい。   The heat conductivity of the high heat conduction part should be sufficiently higher than that of the low heat conduction part, and the heat conductivity is preferably 0.5 (W / m · K) or more, and 1.0 (W / m · K) or more is more preferable, and 1.3 (W / m · K) or more is more preferable. Although there is no restriction | limiting in particular in the upper limit of the heat conductivity of a high heat conductive part, Usually 2000 (W / m * K) or less is preferable and 500 (W / m * K) or less is more preferable.

低熱伝導部の熱伝導率は、0.5(W/m・K)未満が好ましく、0.3(W/m・K)以下がより好ましく、0.25(W/m・K)以下がさらに好ましい。高熱伝導部及び低熱伝導部のそれぞれの熱伝導率が上記のような範囲にあれば、熱を特定の方向に選択的に放熱することができる。   The thermal conductivity of the low thermal conductivity part is preferably less than 0.5 (W / m · K), more preferably 0.3 (W / m · K) or less, and 0.25 (W / m · K) or less. Further preferred. If the respective heat conductivities of the high heat conducting portion and the low heat conducting portion are in the above ranges, heat can be selectively radiated in a specific direction.

[ペルチェ冷却素子の製造方法]
本発明のペルチェ冷却素子の製造方法は、支持体上に、熱電半導体微粒子、耐熱性樹脂及びイオン液体を含む熱電半導体組成物からなる薄膜を有する熱電変換材料を用いたペルチェ冷却素子の製造方法であって、支持体上に、熱電半導体微粒子、耐熱性樹脂及びイオン液体を含む熱電半導体組成物を塗布し、乾燥し、薄膜を形成する工程、該薄膜をアニール処理する工程、さらに高熱伝導部と低熱伝導部とを備えた熱伝導性フィルムを片面又は両面に貼付する工程を含む、ペルチェ冷却素子の製造方法である。
以下、本発明に含まれる工程について、順次説明する。
[Peltier cooling element manufacturing method]
The Peltier cooling element manufacturing method of the present invention is a Peltier cooling element manufacturing method using a thermoelectric conversion material having a thin film made of a thermoelectric semiconductor composition containing thermoelectric semiconductor fine particles, a heat resistant resin and an ionic liquid on a support. And applying a thermoelectric semiconductor composition containing thermoelectric semiconductor fine particles, a heat-resistant resin and an ionic liquid on a support, drying, forming a thin film, annealing the thin film, and a high heat conduction portion; It is a manufacturing method of a Peltier cooling element including the process of sticking the heat conductive film provided with the low heat conductive part on one side or both surfaces.
Hereinafter, the steps included in the present invention will be sequentially described.

(薄膜形成工程)
本発明に用いた熱電半導体組成物を、支持体上に塗布する方法としては、スクリーン印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、スピンコート、ディップコート、ダイコート、スプレーコート、バーコート、ドクターブレード等の公知の方法が挙げられ、特に制限されない。塗膜をパターン状に形成する場合は、所望のパターンを有するスクリーン版を用いて簡便にパターン形成が可能なスクリーン印刷、スロットダイコート等が好ましく用いられる。
次いで、得られた塗膜を乾燥することにより、薄膜が形成されるが、乾燥方法としては、熱風乾燥、熱ロール乾燥、赤外線照射等、従来公知の乾燥方法が採用できる。加熱温度は、通常、80〜150℃であり、加熱時間は、加熱方法により異なるが、通常、数秒〜数十分である。
また、熱電半導体組成物の調製において溶媒を使用した場合、加熱温度は、使用した溶媒を乾燥できる温度範囲であれば、特に制限はない。
(Thin film formation process)
As a method for coating the thermoelectric semiconductor composition used in the present invention on a support, known methods such as screen printing, flexographic printing, gravure printing, spin coating, dip coating, die coating, spray coating, bar coating, doctor blade, etc. A method is mentioned and is not particularly limited. When the coating film is formed in a pattern, screen printing, slot die coating, or the like that can be easily formed using a screen plate having a desired pattern is preferably used.
Next, a thin film is formed by drying the obtained coating film. As a drying method, conventionally known drying methods such as hot air drying, hot roll drying, and infrared irradiation can be adopted. The heating temperature is usually 80 to 150 ° C., and the heating time is usually several seconds to several tens of minutes, although it varies depending on the heating method.
In addition, when a solvent is used in the preparation of the thermoelectric semiconductor composition, the heating temperature is not particularly limited as long as it is in a temperature range in which the used solvent can be dried.

(アニール処理工程)
得られた熱電変換材料は、薄膜形成後、さらにアニール処理(以下、「アニール処理B」ということがある。)を行う。該アニール処理Bを行うことで、熱電性能を安定化させるとともに、薄膜中の熱電半導体微粒子を結晶成長させることができ、熱電性能をさらに向上させることができる。アニール処理Bは、特に限定されないが、通常、ガス流量が制御された、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、同じく水素等の還元ガス雰囲気下、または真空条件下で行われ、用いる樹脂及びイオン性流体の耐熱温度等に依存するが、100〜500℃で、数分〜数十時間行われ、不活性ガス及び還元ガスの混合ガス雰囲気下で行うことがより好ましい。
(Annealing process)
The obtained thermoelectric conversion material is further subjected to annealing treatment (hereinafter sometimes referred to as “annealing treatment B”) after the formation of the thin film. By performing the annealing treatment B, the thermoelectric performance can be stabilized and the thermoelectric semiconductor fine particles in the thin film can be crystal-grown, and the thermoelectric performance can be further improved. The annealing treatment B is not particularly limited, but is usually performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, a reducing gas atmosphere such as hydrogen, or a vacuum condition in which the gas flow rate is controlled. Although it depends on the heat-resistant temperature of the ionic fluid, etc., it is preferably carried out at 100 to 500 ° C. for several minutes to several tens of hours and in an atmosphere of mixed gas of inert gas and reducing gas.

(熱伝導性フィルム貼付工程)
熱伝導性フィルム貼付工程は、前記アニール処理工程で得られた薄膜の片面又は両面に、高熱伝導部及び低熱伝導部を有する熱伝導性フィルムを貼付し、In−plane型のペルチェ冷却素子を作製する工程である。通常、冷却性能の観点から、両面に貼付する。
熱伝導性フィルムの貼付は、p型熱電素子とn型熱電素子とが交互に電気的に直列に接続された薄膜上になされ、熱伝導性フィルムを貼付後、pn接合部の温度が、接続方向に交互に高温部及び低温部となるように、薄膜と熱伝導性フィルム間(両面に貼付する場合は、熱伝導性フィルム/薄膜/熱伝導性フィルムの3者間)のアライメントを精度よくとり、貼付する。
例えば、熱伝導性フィルムの貼付は、図1においては、以下のように行われる。
(1)作製した前記アニール処理工程で得られた薄膜の一方の面側に対し、電極5b、5dに共通の電極間中心線5bd上に、接着剤層9を介し熱伝導性フィルム6Aの高熱伝導部と低熱伝導部の界面が重なるように配置し、ロールラミネーター(日本オフィスラミネーター株式会社製、RSL−382S)等を用いて熱伝導性フィルム6Aを貼付する。
(2)前記薄膜の他方の面側に、支持体2及び接着剤層9を介し、熱伝導性フィルム6Bを、高熱伝導部と低熱伝導部とが、前記熱伝導性フィルム6Aの高熱伝導部と低熱伝導部に対し互いに異種の熱伝導部同士が対向するように、ロールラミネーター等を用いて貼付する。
なお、(1)と(2)の貼付順序は、特に制限されない。
(Thermal conductive film application process)
In the heat conductive film sticking step, a heat conductive film having a high heat conduction portion and a low heat conduction portion is stuck on one or both surfaces of the thin film obtained in the annealing treatment step to produce an in-plane type Peltier cooling element. It is a process to do. Usually, it sticks on both sides from a viewpoint of cooling performance.
The application of the heat conductive film is performed on a thin film in which p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are alternately electrically connected in series. After the heat conductive film is applied, the temperature of the pn junction is connected. Accurate alignment between the thin film and the heat conductive film (in the case of pasting on both sides, between the heat conductive film / thin film / heat conductive film) so that the hot part and the low temperature part alternate in the direction Take and paste.
For example, sticking of a heat conductive film is performed as follows in FIG.
(1) The high heat of the heat conductive film 6A via the adhesive layer 9 on the inter-electrode center line 5bd common to the electrodes 5b and 5d with respect to the one surface side of the thin film obtained in the annealing treatment step produced. It arrange | positions so that the interface of a conduction | electrical_connection part and a low heat conductive part may overlap, and the heat conductive film 6A is stuck using a roll laminator (The Japan office laminator Co., Ltd. make, RSL-382S).
(2) On the other surface side of the thin film, the heat conductive film 6B is interposed between the support 2 and the adhesive layer 9, and the high heat conductive portion and the low heat conductive portion are the high heat conductive portion of the heat conductive film 6A. And using a roll laminator or the like so that different types of heat conducting parts face each other.
The order of attaching (1) and (2) is not particularly limited.

本発明の製造方法によれば、簡便な方法で熱電性能が高く、低コストの熱電変換材料を用いたペルチェ冷却素子を得ることができる。   According to the production method of the present invention, a Peltier cooling element using a thermoelectric conversion material having high thermoelectric performance and low cost can be obtained by a simple method.

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these examples.

実施例及び比較例で作製した熱電変換材料の熱電性能評価、屈曲性評価及びペルチェ冷却素子の冷却特性評価は、以下の方法で行った。   The thermoelectric performance evaluation of the thermoelectric conversion material produced by the Example and the comparative example, flexibility evaluation, and the cooling characteristic evaluation of the Peltier cooling element were performed with the following method.

<熱電性能評価>
(a)電気伝導率
実施例及び比較例で作製した熱電変換材料を、表面抵抗測定装置(三菱化学社製、商品名:ロレスタGP MCP−T600)により、四端子法で試料の表面抵抗値を測定し、電気伝導率(σ)を算出した。
(b)ゼーベック係数
JIS C 2527:1994に準拠して実施例及び比較例で作製した熱電変換材料の熱起電力を測定し、ゼーベック係数(S)を算出した。作製した熱変換材料の一端を加熱して、熱変換材料の両端に生じる温度差をクロメル−アルメル熱電対を使用し測定し、熱電対設置位置に隣接した電極から熱起電力を測定した。
具体的には、温度差と起電力を測定する試料の両端間距離を25mmとし、一端を20℃に保ち、他端を25℃から50℃まで1℃刻みで加熱し、その際の熱起電力を測定して、傾きからゼーベック係数(S)を算出した。なお、熱電対及び電極の設置位置は、薄膜の中心線に対し、互いに対称の位置にあり、熱電対と電極の距離は1mmである。
(c)熱伝導率
作製した熱電変換材料の熱伝導率測定は3ω法を用いて熱伝導率(λ)を算出した。
得られた、電気伝導率、ゼーベック係数及び熱伝導率から、熱電性能指数Z(Z=σS/λ)を求め、無次元熱電性能指数ZT(T=300K)を算出した。
また、熱伝導性放熱フィルムの高熱伝導部、低熱伝導部の熱伝導率は、熱伝導率測定装置(EKO社製、HC−110)を用いて、測定した。
<Thermoelectric performance evaluation>
(A) Electrical conductivity The thermoelectric conversion materials produced in the examples and comparative examples were subjected to a surface resistance measurement device (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, trade name: Loresta GP MCP-T600), and the surface resistance value of the sample was measured by the four-terminal method. Measurement was made and electric conductivity (σ) was calculated.
(B) Seebeck coefficient The thermoelectromotive force of the thermoelectric conversion material produced by the Example and the comparative example based on JISC2527: 1994 was measured, and Seebeck coefficient (S) was computed. One end of the produced heat conversion material was heated, a temperature difference generated at both ends of the heat conversion material was measured using a chromel-alumel thermocouple, and a thermoelectromotive force was measured from an electrode adjacent to the thermocouple installation position.
Specifically, the distance between both ends of the sample for measuring the temperature difference and the electromotive force is 25 mm, one end is kept at 20 ° C., and the other end is heated from 25 ° C. to 50 ° C. in 1 ° C. increments. The electric power was measured, and the Seebeck coefficient (S) was calculated from the slope. In addition, the installation position of the thermocouple and the electrode is symmetrical with respect to the center line of the thin film, and the distance between the thermocouple and the electrode is 1 mm.
(C) Thermal conductivity The thermal conductivity measurement of the produced thermoelectric conversion material calculated thermal conductivity ((lambda)) using the 3omega method.
A thermoelectric figure of merit Z (Z = σS 2 / λ) was obtained from the obtained electric conductivity, Seebeck coefficient and thermal conductivity, and a dimensionless thermoelectric figure of merit ZT (T = 300K) was calculated.
Moreover, the heat conductivity of the high heat conductive part of a heat conductive thermal radiation film and the low heat conductive part was measured using the heat conductivity measuring apparatus (The EKO company make, HC-110).

<冷却特性評価>
実施例及び比較例で作製したp型及びn型熱電素子、及び熱伝導性フィルムを用いて構成したIn−plane型ペルチェ冷却素子を、図2に示す冷却特性評価ユニット11の所定の位置に配置し、冷却特性評価を行った。
具体的には、被着体である加熱ユニット13に、In−plane型ペルチェ冷却素子12を構成するIn−plane型熱電変換モジュール12aの一方の熱伝導性フィルム12bの冷却面側(吸熱側)を貼付し、他方の熱伝導性フィルム12cの排熱面側(放熱側)には、ヒートシンク14を介してチラーユニット15(冷却水;温度設定0℃)を配置した。加熱ユニット13から3Wの熱量を供給し、In−plane型ペルチェ冷却素子12の熱電素子の両端の電極に、直流電源より0.5V印加した時のIn−plane型ペルチェ冷却素子12の冷却面側と、In−plane型ペルチェ冷却素子12の排熱面側との温度差を測定した。
なお、加熱ユニット13とIn−plane型ペルチェ冷却素子12間に熱伝導グリス16を、In−plane型ペルチェ冷却素子12とヒートシンク14間に熱伝導グリス17を、ヒートシンク14とチラーユニット15間に熱伝導グリス18を設け、それぞれの界面において、空気を巻き込みにくくし、熱抵抗を低く抑えた。
<Cooling characteristics evaluation>
The p-type and n-type thermoelectric elements produced in the examples and comparative examples, and the in-plane type Peltier cooling element configured using the heat conductive film are arranged at predetermined positions of the cooling characteristic evaluation unit 11 shown in FIG. Then, cooling characteristics were evaluated.
Specifically, on the heating unit 13 that is an adherend, the cooling surface side (heat absorption side) of one thermal conductive film 12b of the In-plane type thermoelectric conversion module 12a constituting the In-plane type Peltier cooling element 12 is used. And a chiller unit 15 (cooling water; temperature setting 0 ° C.) was disposed through the heat sink 14 on the heat exhaust surface side (heat radiation side) of the other heat conductive film 12c. The cooling surface side of the In-plane type Peltier cooling element 12 when a heat amount of 3 W is supplied from the heating unit 13 and 0.5 V is applied to both ends of the thermoelectric element of the In-plane type Peltier cooling element 12 from a DC power source. And the temperature difference with the heat exhaust surface side of the In-plane type | mold Peltier cooling element 12 was measured.
It should be noted that heat conduction grease 16 is provided between the heating unit 13 and the In-plane type Peltier cooling element 12, heat conduction grease 17 is provided between the In-plane type Peltier cooling element 12 and heat sink 14, and heat conduction grease 17 is provided between the heat sink 14 and chiller unit 15. Conductive grease 18 was provided to make it difficult to entrain air at each interface, and to keep the thermal resistance low.

<屈曲性評価>
実施例及び比較例で作製した熱電変換材料について、円筒形マンドレル法によりマンドレル径φ10mmの時の薄膜の屈曲性を評価した。円筒形マンドレル試験前後で、熱電変換材料の外観評価及び熱電性能評価を行い、以下の基準で屈曲性を評価した。
試験前後で熱電変換材料の外観に異常が見られず無次元熱電性能指数ZTが変化しない場合:◎
試験前後で熱電変換材料の外観に異常が見られずZTの減少が30%未満であった場合:○
試験後に熱電変換材料にクラック等の割れが発生したり、ZTが30%以上減少した場合:×
<Flexibility evaluation>
About the thermoelectric conversion material produced in the Example and the comparative example, the flexibility of the thin film when the mandrel diameter was 10 mm was evaluated by a cylindrical mandrel method. Before and after the cylindrical mandrel test, the appearance and thermoelectric performance of the thermoelectric conversion material were evaluated, and the flexibility was evaluated according to the following criteria.
When there is no abnormality in the appearance of the thermoelectric conversion material before and after the test and the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT does not change:
When there is no abnormality in the appearance of the thermoelectric conversion material before and after the test and the decrease in ZT is less than 30%: ○
When cracks such as cracks occur in the thermoelectric conversion material after the test, or ZT decreases by 30% or more: ×

(熱電半導体微粒子の作製方法)
ビスマス−テルル系熱電半導体材料であるp型ビスマステルライドBi0.4TeSb1.6(高純度化学研究所製、粒径:180μm)を、遊星型ボールミル(フリッチュジャパン社製、Premium line P−7)を使用し、窒素ガス雰囲気下で粉砕することで、平均粒径1.2μmの熱電半導体微粒子T1を作製した。粉砕して得られた熱電半導体微粒子に関して、レーザー回折式粒度分析装置(CILAS社製、1064型)により粒度分布測定を行った。
また、ビスマス−テルル系熱電半導体材料であるn型ビスマステルライドBiTe(高純度化学研究所製、粒径:180μm)を上記と同様に粉砕し、平均粒径1.4μmの熱電半導体微粒子T2を作製した。
(Method for producing thermoelectric semiconductor fine particles)
A p-type bismuth telluride Bi 0.4 Te 3 Sb 1.6 (manufactured by High-Purity Chemical Laboratory, particle size: 180 μm), which is a bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor material, is converted into a planetary ball mill (French Japan, Premium line P). The thermoelectric semiconductor fine particles T1 having an average particle diameter of 1.2 μm were prepared by using -7) and pulverizing in a nitrogen gas atmosphere. The thermoelectric semiconductor fine particles obtained by pulverization were subjected to particle size distribution measurement using a laser diffraction particle size analyzer (CILAS, model 1064).
In addition, n-type bismuth telluride Bi 2 Te 3 (manufactured by High Purity Chemical Laboratory, particle size: 180 μm), which is a bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor material, is pulverized in the same manner as above, and thermoelectric semiconductor fine particles having an average particle size of 1.4 μm. T2 was produced.

(実施例1)
(1)熱電半導体組成物の作製
表1に示す実施例1に記載した配合量になるように、得られたビスマス−テルル系熱電半導体材料の微粒子T1と、耐熱性樹脂としてポリイミド前駆体であるポリアミック酸(シグマアルドリッチ社製、ポリ(ピロメリト酸二無水物−co−4,4’−オキシジアニリン、固形分濃度:15質量%)溶液、溶媒:メチルピロリドン、300℃における質量減少率:0.9%)、及びイオン液体1として[1−ブチル−3−(2−ヒドロキシエチル)イミダゾリウムブロミド、電気伝導率:3.5×10−5S/cm]とを加え、それらを混合分散し、p型ビスマステルライドの微粒子T1を含む熱電半導体組成物からなる塗工液Pを調製した。同様に、微粒子T1を微粒子T2に変更し、n型ビスマステルライドの微粒子T2を含む熱電半導体組成物からなる塗工液Nを調製した。
(2)熱電性能評価用サンプルの作製
(1)で調製した塗工液Pを、スクリーン印刷により支持体であるポリイミドフィルム(東レデュポン社製、商品名「カプトン」、厚さ50μm)上に塗布し、温度150℃で、10分間アルゴン雰囲気下で乾燥し、厚さが10μmの薄膜を形成した。次いで、得られた薄膜に対し、水素とアルゴンの混合ガス(水素:アルゴン=5体積%:95体積%)雰囲気下で、加温速度5K/minで昇温し、415℃で1時間保持し、薄膜形成後のアニール処理Bを行うことにより、熱電半導体材料の微粒子を結晶成長させ、p型熱電変換材料を作製した。同様の方法で、(1)で調製した塗工液Nを用い、n型熱電変換材料を作製した。
(3)熱伝導性シートの作製
シリコーン樹脂A(旭化成ワッカー社製、「SilGel612−A」)19.8質量部、シリコーン樹脂B(旭化成ワッカー社製、「SilGel612−B」)19.8質量部、硬化遅延剤(旭化成ワッカー社製、「PT88」)0.4質量部、熱伝導性フィラーとして、アルミナ(昭和電工社製、「アルナビーズCB−A20S」、平均粒子径20μm)40質量部、と窒化ホウ素(昭和電工社製、「ショウビーエヌ UHP−2」、平均粒子径12μm)20質量部を添加し、自転・公転ミキサー(THINKY社製、「ARE−250」)を用いて混合分散し、高熱伝導部形成用の樹脂組成物を調製した。
一方、シリコーン樹脂A(旭化成ワッカー社製、「SilGel612−A」)31.7質量部、シリコーン樹脂B(旭化成ワッカー社製、「SilGel612−B」)31.7質量部、硬化遅延剤(旭化成ワッカー社製、「PT88」)0.6質量部、中空フィラーとして、ガラス中空フィラー(住友スリーエム社製、「グラスバブルズS38」、平均粒子径40μm、真密度0.38g/cm)36質量部を添加(低熱伝導部全体積中、中空フィラーが60体積%含有)し、自転・公転ミキサー(THINKY社製、「ARE−250」)を用いて混合分散し、低熱伝導部形成用の樹脂組成物を調製した。
次に、剥離可能な支持基材(リンテック社製、「PET50FD」)の剥離処理された面に、前記高熱伝導部形成用の樹脂組成物を、ディスペンサー(武蔵エンジニアリング社製、「ML−808FXcom−CE」)を用いて塗布し、ストライプ状パターン(幅1mm×長さ100mm、厚み50μm、パターン中心間距離2mm)からなる高熱伝導部を形成した。さらに、その上からアプリケータを用いて、低熱伝導部形成用の樹脂組成物を塗布し、150℃で30分間硬化させることで、該高熱伝導部のストライプ状パターン間に、高熱伝導部と同じ厚さの低熱伝導部が形成された熱伝導性シートを得た。なお、高熱伝導部上には、低熱伝導部が形成されていないことを確認した。
一方、剥離シート(リンテック社製、PET50FD)の剥離処理された面に、シリコーン系接着剤を塗布し、90℃で1分間乾燥させ、厚さ10μmの接着剤層を形成した。接着剤層と基材を貼り合わせ、剥離シートおよび剥離可能な支持基材で挟持された構成の熱伝導性(接着)シートを作製した。前記基材の接着剤層と接する面とは反対側の面において、高熱伝導部と低熱伝導部との段差は実質的に存在しなかった。
(4)In−plane型ペルチェ冷却素子の作製
図1(a)に示すように、スクリーン印刷法によりあらかじめ形成した電極5a〜5e(銅電極パターン、厚み:10μm)を有する、支持体2であるポリイミドフィルム(東レデュポン社製、商品名「カプトン」、厚み:50μm)上に、(1)で調製した塗工液P及び塗工液Nを用い、スクリーン印刷法により、p型熱電素子3及びn型熱電素子4の薄膜が上記電極を介し電気的に直列になるように塗布し、その後、温度150℃で10分間アルゴンガス雰囲気下で乾燥し、それぞれの厚みが100μmの薄膜を形成した。得られた薄膜に対し、アルゴンガス雰囲気下で、加温速度5K/minで昇温し、415℃で1時間、アニール処理Bを行うことにより、熱電半導体材料の微粒子を結晶成長させ、電極を備えたp型及びn型熱電素子の薄膜を作製した(In−plane型熱電変換モジュール)。
次いで、得られたIn−plane型熱電変換モジュールの薄膜の両面に、(3)で得られた熱伝導性フィルム(接着剤層付)を、図1(b)のように、高熱伝導部7と低熱伝導部8とが同一面上では交互に、対向面上同士では互いに向き合うように配置するよう貼付し、In−plane型ペルチェ冷却素子を作製した。
Example 1
(1) Production of thermoelectric semiconductor composition The obtained fine particles T1 of the bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor material and a polyimide precursor as a heat-resistant resin so as to have the blending amounts described in Example 1 shown in Table 1 Polyamic acid (manufactured by Sigma-Aldrich, poly (pyromellitic dianhydride-co-4,4′-oxydianiline, solid content concentration: 15% by mass) solution, solvent: methylpyrrolidone, mass reduction rate at 300 ° C .: 0 9%) and [1-butyl-3- (2-hydroxyethyl) imidazolium bromide, electrical conductivity: 3.5 × 10 −5 S / cm] as ionic liquid 1, and mixing and dispersing them Then, a coating liquid P made of a thermoelectric semiconductor composition containing fine particles T1 of p-type bismuth telluride was prepared. Similarly, the fine particle T1 was changed to the fine particle T2, and the coating liquid N which consists of a thermoelectric semiconductor composition containing the fine particle T2 of n-type bismuth telluride was prepared.
(2) Preparation of thermoelectric performance evaluation sample The coating liquid P prepared in (1) was applied onto a polyimide film (trade name “Kapton”, thickness 50 μm, manufactured by Toray DuPont) as a support by screen printing. And dried in an argon atmosphere at a temperature of 150 ° C. for 10 minutes to form a thin film having a thickness of 10 μm. Next, the obtained thin film was heated at a heating rate of 5 K / min in a mixed gas atmosphere of hydrogen and argon (hydrogen: argon = 5% by volume: 95% by volume) and held at 415 ° C. for 1 hour. Then, by performing annealing treatment B after the thin film was formed, fine particles of the thermoelectric semiconductor material were grown to produce a p-type thermoelectric conversion material. In the same manner, an n-type thermoelectric conversion material was produced using the coating liquid N prepared in (1).
(3) Production of Thermally Conductive Sheet Silicone Resin A (Asahi Kasei Wacker, “SilGel612-A”) 19.8 parts by mass, Silicone Resin B (Asahi Kasei Wacker, “SilGel612-B”) 19.8 parts by mass , 0.4 parts by mass of a retarder (Asahi Kasei Wacker, “PT88”), 40 parts by mass of alumina (Showa Denko KK, “Aruna Beads CB-A20S”, average particle size 20 μm) as a thermally conductive filler, 20 parts by mass of boron nitride (Showa Denko Co., Ltd., “ShowNu UHP-2”, average particle size: 12 μm) is added, and mixed and dispersed using a rotating / revolving mixer (THINKY, “ARE-250”). A resin composition for forming a high heat conduction part was prepared.
On the other hand, silicone resin A (Asahi Kasei Wacker, “SilGel612-A”) 31.7 parts by mass, silicone resin B (Asahi Kasei Wacker, “SilGel612-B”) 31.7 parts by mass, curing retarder (Asahi Kasei Wacker) 0.6 parts by mass, “PT88” manufactured by the company, 36 parts by mass of glass hollow filler (manufactured by Sumitomo 3M, “Glass Bubbles S38”, average particle size 40 μm, true density 0.38 g / cm 3 ) (Mixed with 60% by volume of hollow filler in the total volume of the low heat conduction part), and mixed and dispersed using a rotation / revolution mixer ("ARE-250" manufactured by THINKY) to form a resin composition for forming a low heat conduction part A product was prepared.
Next, the resin composition for forming the high thermal conductivity portion is dispensed on the surface of the peelable supporting substrate (“PET50FD”, manufactured by Lintec Corporation) with a dispenser (“ML-808FXcom-”, manufactured by Musashi Engineering Co., Ltd.). CE ”) to form a high thermal conductivity portion having a stripe pattern (width 1 mm × length 100 mm, thickness 50 μm, pattern center distance 2 mm). Further, by applying a resin composition for forming a low heat conduction part from above using a applicator and curing at 150 ° C. for 30 minutes, between the stripe patterns of the high heat conduction part, the same as the high heat conduction part A heat conductive sheet having a low thickness heat conductive portion was obtained. In addition, it confirmed that the low heat conductive part was not formed on the high heat conductive part.
On the other hand, a silicone-based adhesive was applied to the release-treated surface of a release sheet (PIN50FD, manufactured by Lintec Corporation) and dried at 90 ° C. for 1 minute to form an adhesive layer having a thickness of 10 μm. The adhesive layer and the substrate were bonded together to produce a thermally conductive (adhesive) sheet having a configuration sandwiched between a release sheet and a peelable support substrate. On the surface opposite to the surface in contact with the adhesive layer of the base material, there was substantially no step between the high heat conductive portion and the low heat conductive portion.
(4) Production of In-plane Peltier Cooling Element As shown in FIG. 1A, the support 2 has electrodes 5a to 5e (copper electrode patterns, thickness: 10 μm) formed in advance by a screen printing method. A p-type thermoelectric element 3 and a polyimide film (manufactured by Toray DuPont, trade name “Kapton”, thickness: 50 μm) are applied by screen printing using the coating liquid P and the coating liquid N prepared in (1). The thin film of the n-type thermoelectric element 4 was applied so as to be electrically in series via the electrode, and then dried in an argon gas atmosphere at a temperature of 150 ° C. for 10 minutes to form a thin film having a thickness of 100 μm. The obtained thin film was heated in an argon gas atmosphere at a heating rate of 5 K / min and annealed at 415 ° C. for 1 hour to grow microparticles of thermoelectric semiconductor material and grow electrodes. The thin film of the provided p-type and n-type thermoelectric element was produced (In-plane type thermoelectric conversion module).
Next, on both surfaces of the thin film of the obtained In-plane type thermoelectric conversion module, the heat conductive film (with an adhesive layer) obtained in (3) is applied to the high heat conduction portion 7 as shown in FIG. And the low heat conduction part 8 were stuck so as to be alternately arranged on the same surface and facing each other on the opposing surfaces, and an In-plane type Peltier cooling element was produced.

(実施例2)
イオン液体(イオン液体1)を、1−ブチル−3−(2−ヒドロキシエチル)イミダゾリウムブロミドから1−ブチル−4−メチルピリジニウムヨージド(シグマアルドリッチジャパン社製、イオン液体2、電気伝導率:1.8×10−5S/cm)に変更した以外は、実施例1と同様にして、p型熱電変換材料、n型熱電変換材料及びIn−plane型ペルチェ冷却素子を作製した。
(Example 2)
The ionic liquid (ionic liquid 1) is converted from 1-butyl-3- (2-hydroxyethyl) imidazolium bromide to 1-butyl-4-methylpyridinium iodide (Sigma Aldrich Japan, ionic liquid 2, electrical conductivity: A p-type thermoelectric conversion material, an n-type thermoelectric conversion material, and an In-plane type Peltier cooling element were produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness was changed to 1.8 × 10 −5 S / cm.

(実施例3)
イオン液体1の添加量を10質量%に変更した以外は、実施例1と同様にして、p型熱電変換材料、n型熱電変換材料及びIn−plane型ペルチェ冷却素子を作製した。
(Example 3)
A p-type thermoelectric conversion material, an n-type thermoelectric conversion material, and an In-plane type Peltier cooling element were produced in the same manner as in Example 1 except that the addition amount of the ionic liquid 1 was changed to 10% by mass.

(実施例4)
イオン液体1の添加量を40質量%に変更した以外は、実施例1と同様にして、p型熱電変換材料、n型熱電変換材料及びIn−plane型ペルチェ冷却素子を作製した。
Example 4
A p-type thermoelectric conversion material, an n-type thermoelectric conversion material, and an In-plane type Peltier cooling element were produced in the same manner as in Example 1 except that the addition amount of the ionic liquid 1 was changed to 40% by mass.

(実施例5)
中空フィラーとしてシリカ中空フィラーである中空ナノシリカ(日鉄鉱業株式会社製、「シリナックス(登録商標)」、平均粒子径105nm、真密度0.57g/cm)を用いた以外は実施例1と同様にIn−plane型ペルチェ冷却素子を作製した。
(Example 5)
Example 1 with the exception of using hollow nanosilica (“SILINAX (registered trademark)”, average particle diameter 105 nm, true density 0.57 g / cm 3 , manufactured by Nittetsu Mining Co., Ltd.), which is a silica hollow filler, as the hollow filler. Similarly, an In-plane type Peltier cooling element was produced.

(比較例1)
イオン液体を加えず、ポリイミド樹脂の配合量を5質量%から10質量%にした以外は、実施例1と同様にして、p型熱電変換材料、n型熱電変換材料及びIn−plane型ペルチェ冷却素子を作製した。
(Comparative Example 1)
The p-type thermoelectric conversion material, the n-type thermoelectric conversion material, and the In-plane type Peltier cooling were performed in the same manner as in Example 1 except that the ionic liquid was not added and the blending amount of the polyimide resin was changed from 5 mass% to 10 mass%. An element was produced.

(比較例2)
耐熱性樹脂を加えず、導電性高分子であるポリ(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イオンの混合物PEDOT:PSSとイオン液体1と熱電半導体微粒子を表1に記載の配合で混合分散した熱電半導体組成物からなる塗工液を調製し、p型熱電変換材料、n型熱電変換材料及びIn−plane型ペルチェ冷却素子を作製した。
(Comparative Example 2)
A mixture of poly (3,4-ethylenedioxythiophene), which is a conductive polymer, and polystyrene sulfonate ions, PEDOT: PSS, ionic liquid 1, and thermoelectric semiconductor fine particles with the composition shown in Table 1 without adding a heat-resistant resin. A coating liquid comprising a thermoelectric semiconductor composition mixed and dispersed was prepared, and a p-type thermoelectric conversion material, an n-type thermoelectric conversion material, and an In-plane type Peltier cooling element were produced.

(比較例3)
耐熱性樹脂をポリスチレン(300℃における質量減少率:100%)に変更した以外は、実施例1と同様にして、p型熱電変換材料、n型熱電変換材料及びIn−plane型ペルチェ冷却素子を作製した。
(Comparative Example 3)
A p-type thermoelectric conversion material, an n-type thermoelectric conversion material, and an In-plane Peltier cooling element were prepared in the same manner as in Example 1 except that the heat-resistant resin was changed to polystyrene (mass reduction rate at 300 ° C .: 100%). Produced.

(比較例4)
熱伝導性フィルムを高熱伝導部、低熱伝導部のパターンを有さないポリイミドフィルム(東レデュポン社製、商品名「カプトン」、厚み:50μm)に変更した以外は、実施例1と同様にして、In−plane型ペルチェ冷却素子を作製した。
(Comparative Example 4)
Except for changing the heat conductive film to a high heat conduction part, a polyimide film having no low heat conduction part pattern (manufactured by Toray DuPont, trade name “Kapton”, thickness: 50 μm), the same as in Example 1, An in-plane type Peltier cooling element was produced.

実施例1〜5及び比較例1〜4で得られたp型熱電変換材料、n型熱電変換材料の熱電性能評価、屈曲性評価、及びIn−plane型ペルチェ冷却素子の冷却特性評価に係る結果を表2に示す。   Results of p-type thermoelectric conversion materials, thermoelectric performance evaluations of n-type thermoelectric conversion materials obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4, evaluation of flexibility, and evaluation of cooling characteristics of In-plane Peltier cooling elements Is shown in Table 2.

実施例1〜5の熱電変換材料は、イオン液体を加えない比較例1に比べて、無次元熱電性能指数ZTが1オーダー又はそれ以上高く、また、円筒形マンドレル試験前後で、熱電変換材料にクラック等の割れが発生することもなく、無次元熱電性能指数ZTがほとんど低下せず、屈曲性が優れていることが分かった。さらに、耐熱性樹脂を使用しない比較例2(耐熱性の低い導電性高分子のみ使用)に比べ、無次元熱電性能指数ZT及び屈曲性がはるかに優れていることが分かった。
実施例1〜5の熱伝導性フィルムを備えたIn−plane型ペルチェ冷却素子は、イオン液体を加えない比較例1に比べて、冷却面(吸熱側)と排熱面(発熱側)との温度差が小さいことから、電圧印加による冷却効果と熱交換可能な排熱量に収まっており高性能なペルチェ能を有していることが分かった。
実施例1の高熱伝導部と低熱伝導部を交互に備え、熱を特定の方向に選択的に放熱可能な熱伝導性フィルムを用いたIn−plane型ペルチェ冷却素子は、低熱伝導部のみを備える熱制御性を有しない熱伝導性フィルムを用いた比較例4に比べて、冷却面(吸熱側)の温度が−10℃〜0℃と低く、熱伝導性フィルムによりスムーズに熱交換が行われているため、排熱面の温度がチラーによる冷却で十分冷却されていることから、より冷却効果が優れていることが分かった。
The thermoelectric conversion materials of Examples 1 to 5 have a dimensionless thermoelectric figure of merit ZT of one order or more higher than that of Comparative Example 1 in which no ionic liquid is added, and the thermoelectric conversion material is used before and after the cylindrical mandrel test. It was found that cracks such as cracks did not occur, the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT hardly decreased, and the flexibility was excellent. Furthermore, it was found that the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT and flexibility are far superior to those of Comparative Example 2 (using only a conductive polymer having low heat resistance) in which no heat resistant resin is used.
The In-plane type Peltier cooling element provided with the heat conductive films of Examples 1 to 5 has a cooling surface (heat absorption side) and a heat exhaust surface (heat generation side) as compared with Comparative Example 1 in which no ionic liquid is added. Since the temperature difference is small, it was found that the cooling effect by applying voltage and the amount of exhaust heat that can be exchanged with heat are within the range, and that it has high-performance Peltier capability.
The In-plane type Peltier cooling element using the heat conductive film that is alternately provided with the high heat conduction part and the low heat conduction part of Example 1 and that can selectively dissipate heat in a specific direction includes only the low heat conduction part. Compared to Comparative Example 4 using a thermally conductive film that does not have thermal controllability, the temperature of the cooling surface (the endothermic side) is as low as -10 ° C to 0 ° C, and heat exchange is performed smoothly by the thermally conductive film. Therefore, since the temperature of the exhaust heat surface was sufficiently cooled by cooling with a chiller, it was found that the cooling effect was more excellent.

本発明のペルチェ冷却素子は、簡便に低コストで製造可能であり、熱電性能に優れる薄膜の熱電変換材料と、熱を特定の方向に選択的に放熱可能な熱伝導性フィルムとで構成されていることから、エレクトロニクス機器の小型化、コンパクト化にともなう機器内部の蓄熱を抑制する用途に用いることができる。例えば、半導体素子である、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor)、CCD(Charge Coupled Device)、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、受光素子等の各種センサーの温度制御、光通信用レーザーや産業用高出力レーザーの温度制御、半導体分野におけるシリコンウェハーや薬液の温度制御等に用いられる。   The Peltier cooling element of the present invention can be easily manufactured at low cost, and is composed of a thin-film thermoelectric conversion material excellent in thermoelectric performance and a heat conductive film capable of selectively dissipating heat in a specific direction. Therefore, it can be used for the purpose of suppressing heat storage inside the equipment accompanying downsizing and downsizing of the electronic equipment. For example, a semiconductor device such as a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor), a CCD (Charge Coupled Device), a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems for various types of lasers for industrial control) It is used for temperature control of output laser, temperature control of silicon wafers and chemicals in the semiconductor field.

1:In−plane型熱電変換モジュール
2:支持体
3:p型熱電素子
4:n型熱電素子
5a,5b,5c,5d,5e:電極
5bd:電極間中心線
6A,6B:熱伝導性フィルム
7:高熱伝導部
8:低熱伝導部
9:接着剤層
10:In−plane型ペルチェ冷却素子
11:冷却特性評価ユニット
12:In−plane型ペルチェ冷却素子
12a:In−plane型熱電変換モジュール
12b,12c:熱伝導性フィルム
13:加熱ユニット
14:ヒートシンク
15:チラーユニット
16,17,18:熱伝導グリス
41:P型熱電素子
42:N型熱電素子
43:電極(銅)
44:フィルム状基板
45:フィルム状基板
46:熱電変換モジュール
47,48:熱伝導率の低い材料(ポリイミド)
49,50:熱伝導率の高い材料(銅)
1: In-plane type thermoelectric conversion module 2: Support 3: p-type thermoelectric element 4: n-type thermoelectric elements 5a, 5b, 5c, 5d, 5e: electrodes 5bd: interelectrode centerlines 6A, 6B: thermal conductive films 7: High heat conduction part 8: Low heat conduction part 9: Adhesive layer 10: In-plane type Peltier cooling element 11: Cooling characteristic evaluation unit 12: In-plane type Peltier cooling element 12a: In-plane type thermoelectric conversion module 12b, 12c: Thermal conductive film 13: Heating unit 14: Heat sink 15: Chiller units 16, 17, 18: Thermal conductive grease 41: P-type thermoelectric element 42: N-type thermoelectric element 43: Electrode (copper)
44: Film-like substrate 45: Film-like substrate 46: Thermoelectric conversion module 47, 48: Material with low thermal conductivity (polyimide)
49, 50: Material with high thermal conductivity (copper)

Claims (12)

支持体上に、熱電半導体微粒子、耐熱性樹脂及びイオン液体を含む熱電半導体組成物からなる薄膜を有する熱電変換材料を用いたペルチェ冷却素子であって、該ペルチェ冷却素子が、該薄膜の片面又は両面に高熱伝導部と低熱伝導部とを備えた熱伝導性フィルムを含む、ペルチェ冷却素子。   A Peltier cooling element using a thermoelectric conversion material having a thin film made of a thermoelectric semiconductor composition containing thermoelectric semiconductor fine particles, a heat-resistant resin and an ionic liquid on a support, the Peltier cooling element being arranged on one side of the thin film or A Peltier cooling element including a thermally conductive film having a high thermal conductivity portion and a low thermal conductivity portion on both sides. 前記ペルチェ冷却素子の前記薄膜に電極が備わり、該電極が該薄膜の長さ方向の両端部に少なくとも一つ以上備わる、請求項1に記載のペルチェ冷却素子。   2. The Peltier cooling element according to claim 1, wherein an electrode is provided on the thin film of the Peltier cooling element, and at least one electrode is provided at both ends of the thin film in a length direction. 前記熱伝導性フィルムが接着層を含む、請求項1に記載のペルチェ冷却素子。   The Peltier cooling element according to claim 1, wherein the thermally conductive film includes an adhesive layer. 前記イオン液体の配合量が、前記熱電半導体組成物中0.01〜50質量%である、請求項1に記載のペルチェ冷却素子。   The Peltier cooling element according to claim 1 whose compounding quantity of said ionic liquid is 0.01-50 mass% in said thermoelectric semiconductor composition. 前記イオン液体のカチオン成分が、ピリジニウムカチオン及びその誘導体、イミダゾリウムカチオン及びその誘導体から選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1に記載のペルチェ冷却素子。   The Peltier cooling element according to claim 1, wherein the cation component of the ionic liquid includes at least one selected from a pyridinium cation and a derivative thereof, an imidazolium cation and a derivative thereof. 前記イオン液体のアニオン成分が、ハロゲン化物アニオンを含む、請求項1に記載のペルチェ冷却素子。   The Peltier cooling element according to claim 1, wherein the anion component of the ionic liquid includes a halide anion. 前記ハロゲン化物アニオンが、Cl、Br及びIから選ばれる少なくとも1種を含む、請求項6に記載のペルチェ冷却素子。 The Peltier cooling element according to claim 6, wherein the halide anion includes at least one selected from Cl , Br and I . 前記耐熱性樹脂が、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂及びエポキシ樹脂から選ばれる少なくとも1種である、請求項1に記載のペルチェ冷却素子。   The Peltier cooling element according to claim 1, wherein the heat-resistant resin is at least one selected from a polyamide resin, a polyamideimide resin, a polyimide resin, and an epoxy resin. 前記熱電半導体微粒子の配合量が、前記熱電半導体組成物中30〜99質量%である、請求項1に記載のペルチェ冷却素子。   The Peltier cooling element according to claim 1, wherein the amount of the thermoelectric semiconductor fine particles is 30 to 99 mass% in the thermoelectric semiconductor composition. 前記熱電半導体微粒子の平均粒径が、10nm〜200μmである、請求項1〜9のいずれか1項に記載のペルチェ冷却素子。   The Peltier cooling element according to claim 1, wherein the thermoelectric semiconductor fine particles have an average particle diameter of 10 nm to 200 μm. 前記熱電半導体微粒子が、ビスマス−テルル系熱電半導体材料の微粒子である、請求項1〜10のいずれか1項に記載のペルチェ冷却素子。   The Peltier cooling element according to any one of claims 1 to 10, wherein the thermoelectric semiconductor fine particles are fine particles of a bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor material. 支持体上に、熱電半導体微粒子、耐熱性樹脂及びイオン液体を含む熱電半導体組成物からなる薄膜を有する熱電変換材料を用いたペルチェ冷却素子の製造方法であって、支持体上に、熱電半導体微粒子、耐熱性樹脂及びイオン液体を含む熱電半導体組成物を塗布し、乾燥し、薄膜を形成する工程、該薄膜をアニール処理する工程、さらに高熱伝導部と低熱伝導部とを備えた熱伝導性フィルムを片面又は両面に貼付する工程を含む、ペルチェ冷却素子の製造方法。   A method of manufacturing a Peltier cooling element using a thermoelectric conversion material having a thin film made of a thermoelectric semiconductor composition containing thermoelectric semiconductor fine particles, a heat resistant resin and an ionic liquid on a support, the thermoelectric semiconductor fine particles on the support Applying a thermoelectric semiconductor composition containing a heat-resistant resin and an ionic liquid, drying, forming a thin film, annealing the thin film, and a heat conductive film having a high heat conduction portion and a low heat conduction portion The manufacturing method of the Peltier cooling element including the process of sticking to one side or both surfaces.
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