九州大学大学院工学研究院准教授藤ヶ谷刚彦.PDFVIP

平成25 年度 江野科学振興財団研究助成 研究成果報告書 （別紙） 研究課題名「ゴム・カーボンナノチューブ複合フレキシブル熱電変換フィルムの創製」 九州大学大学院工学研究院 准教授 藤ヶ谷 剛彦 1. はじめに 1 この熱電変換技術を支えるのが熱電変換材料である。従来、熱電変換材料は、無機半導 体材料（ビスマス、テルリウム、アンチモンなど）に限られていたが、無機材料は一般に高 価で、有害な元素を使うものが多く、加工に手間もかかる。そこで、無機材料の代わりに、 安価かつフレキシブルで加工性に優れる有機材料が注目されている。ポリアニリン、ポリチ オフェン、ポリアセチレン、ポリピロールに代表される導電性高分子が材料の候補であるが 2, 3、その中でもPEDOT:PSS は電気伝導率が優れているのに対して高分子ゆえに熱伝導率 が低く、低密度で加工しやすいため、魅力的な熱電変換材料として注目を浴びている。最近 ではPEDOT:PSS にdimethyl sulfoxide (DMSO)4 やethylene glycol (EG)5 を加えることで 電気伝導率が飛躍的に向上し、ZT の向上につながることが報告され、ZT ＝0.42 という値が 6 報告されている。しかしドーピングに用いるPSS の酸性により吸湿に弱く、また熱安定性 にも乏しいことから実用にはなお多くの課題がある。また、実用化には n 型を示す安定な 材料を開発する必要があるといった大きな課題も残っている。これらの問題を解決する方 法として極めて高い電気伝導度（σ）を持ち、化学的にも熱的にも安定で、ドーピングによ りn 型半導体に変換することも可能であるSWNT （single–walled carbon nanotube）の利 7 用に注目が集まっている 。ただしSWNT は高い熱伝導率を持つため熱伝導度を抑える工夫 が必要である。高い電気伝導度は維持しつつ、熱伝導性を抑え更に高い加工性を付与する工 夫としてポリマー （ゴムも含む）との複合化が考えられる。しかしながらSWNT は強い束 状構造（バンドル）を形成しているために、効率よく導電性を確保するためには、バンドル を解いてSWNT を樹脂中に均一に分散する必要がある。 当研究室では、硬化性樹脂である R712 （2 ，2 －methylenebis ［p-phenylene poly （oxyethylene）oxy］diethyldiacrylate）がSWNT を高度に分散し、重合することでフィル 8 ム（SWNT/R712 フィルム）が作製できることを報告した。また、はR712 へのSWNT 添 加で電気伝導性は効率的に向上するのに対し、一方でフォノンの拡散を抑制できるため熱 9 伝導を抑えられることを示し、熱電材料への可能性を報告している。この手法の重要なメ リットは溶媒フリーのため、溶媒除去課程におけるSWNT 再凝集の問題がないことである。 そこで本研究では、R712 分散SWNT の熱電変換材料への展開を検討する。硬化前のR712 分散SWNT は流動性があるため優れた加工性があるというメリットが持っている。本実験 では、まず撹拌方法や用いる SWNT の選択を工夫することでより電気伝導性が高い 1 SWNT/R712 フィルムを作製する。次に、n ドーピングしたSWNT を用いてn型SWNT/R712 フィルムの作製をすることでp 型SWNT/R712 と複合化したp-n 接合型SWNT/R712 フィ ルムの作製を目指す。最終的には優れた加工性を生かして印刷による SWNT/R712 熱電変 換素子の作製を目的とする。 2.