日本国立先进产业技术研究所（AIST；主席：Tamotsu Nomakuchi）功能显示器件团队（组长：星野聪）的 Kouji Suemori（研究员）开发了一种在塑料薄膜和纸张等柔性基材上印刷热电转换器件的技术。该技术通过将热电转换装置转变为薄膜装置，增加了热电转换装置的高度灵活性，使其安装不受安装物体形状的限制。此外，印刷技术还可以降低制造过程中的成本并节省资源。

为了推广将热能转化为电能的热电转换装置的使用，必须提高转换效率、降低成本并提高装置的便利性，以便将其安装在各种形状的废热产生物体上。研究人员研发了一种利用印刷工艺制造柔性热电转换器件的技术，这是一种低成本的制造工艺。他发现一种可印刷碳复合材料，其中材料以纳米级分散到树脂基体中，其发电能力是传统可印刷材料的15倍以上。他还发现，使用这种材料的溶液作为墨水将器件印刷在薄膜基板上，可以制造出具有优异温差发电能力的热电转换薄膜器件。所开发的热电转换薄膜装置预计将有助于传播能量收集，利用仪器和设备的废热以及体热作为能源，并将热量转化为电能。它还应该有助于电力的安全供应。

该技术的详细信息将于 2011 年 10 月 13 日至 14 日在筑波举行的 AIST 开放实验室上公布。

图：通过印刷制造的热电转换薄膜器件

能量收集技术将环境中存在的各种形式的能量（例如热、振动和电磁波）转化为电能，是利用日常生活中常见的能源，有效、安全地将能源转化为电能的技术。该技术有望以无需充电或更换电池的本地电源的形式得到广泛普及，用作便携式电子通信设备、传感器网络终端、个人医疗保健设备的电源。

在能量收集技术中，热电转换装置将热能（包括体热和仪器设备的废热）直接转换为电能，是最常见的能量转换装置，预计将得到更多的应用。目前热电转换器件主要采用铋、碲等稀有金属制造。存在与通过使用热电转换装置广泛使用废热有关的问题。包括：（1）器件成本降低和量产困难，因为主要成分是稀有金属，属于稀缺资源，价格波动较大； (2)现有装置的柔性和成型性较差，在余热和热辐射不均匀的来源上安装困难； (3) 能量质量转换装置面积难以增加。

为了解决这些问题并广泛普及热电转换能量收集的使用，需要一种不受资源可用性限制、允许灵活性、大面积和降低成本的新型热电转换材料，并建立高生产率器件制造技术。

为了增强信息终端和能源设备领域的市场竞争力，AIST一直致力于开发柔性设备，即轻量、薄型、自由形状、耐摔的柔性设备的高生产率制造技术。最近，它一直致力于开发用于设备制造的印刷技术。该技术允许高速生产以及低成本和节能的设备制造，因为印刷过程不需要真空或高温。目前的研究人员主要关注热电转换器件，因为印刷工艺可以有效地制造该器件，并且该器件高度契合社会的需求，即安全、便捷的能源供应。他在世界上首次成功印刷柔性热电转换器件。

以创造高性能热电转换薄膜器件为目标，研究人员研究了一种可制成薄膜的热电转换材料，发现碳-聚合物复合材料是碳纳米管（CNT）等碳材料与纳米级聚合物材料的混合物，具有很高的热电转换性能。高性能热电转换材料的要求除了具有大的塞贝克系数外，还包括高导电率和低导热率，塞贝克系数表示利用热量产生电压的能力。由于其强大的分子间作用力，当碳材料（例如碳纳米管）简单地分散到聚合物材料中时，碳材料会聚集成束和结构。为了使CNT-聚合物复合材料具有高导电性，必须防止CNT聚集并且必须将CNT以纳米水平分散到聚合物中。为此，通常使用各种分散剂来防止CNT在分散之前聚集。然而，当CNT-聚合物复合材料用于热电转换器件时，残留分散剂的存在降低了产生电压的能力，因此分散剂不易使用。为了克服这个问题，研究人员开发了一种通过机械分散方法而不是使用分散剂将碳纳米管分散到聚合物溶液中的技术。所开发的CNT-聚合物复合材料通过调整材料使其溶解在溶剂中而制成墨水。通过使用墨水印刷图案、干燥和烧结，制备了由纳米级分散有碳纳米管的复合材料制成的热电转换材料（图1）。所制备的复合材料没有因分散剂引起的电压产生下降，其塞贝克系数为013 mV/K；这大约是使用传统方法制造的材料的三倍。

图1：CNT-聚合物复合材料的制备方法（上）及其表面电子显微镜图像（下）

为了获得热电转换器件的高转换效率，重要的是在保持低导热率的同时提高构成材料的电导率。通过控制干燥和烧结过程来控制材料内部的微观结构，从而获得高性能的碳纳米管-聚合物复合材料。由于同时实现了高导电率和低导热率，所开发的材料的热电转换性能比使用传统方法制造的CNT-聚合物复合材料高50%以上（热电品质因数≈003）。目前，这个数字是可通过印刷形成的热电转换材料的世界最高值。

使用上述油墨通过模板印刷工艺在20微米厚的塑料薄膜基材上形成CNT-聚合物复合材料的图案后，通过干燥和烧结工艺制备柔性热电转换膜（图2）。柔性热电转换膜有1000个器件，每个器件宽05毫米×长08毫米×厚03毫米，串联连接。当以5mm的曲率半径弯曲时，热电转换膜没有受到机械损伤，并且证实该膜对于弯曲或球面的安装具有高度适应性。此外，即使室温25℃和体温36℃之间的温差很小，它也表现出优异的温差发电能力。这证实了可以制造有效的热电转换装置。

图2：采用印刷工艺制造的柔性热电转换薄膜（左）及其发电能力（右）

将手放在安装在 10 °C 板上的薄膜上产生的温差产生 1089 mV 的电压。

研究人员旨在开发一种热电转换材料，其性能与传统固体热电转换材料相当，并且可以协同印刷到薄膜基材上。他将通过控制材料的微观结构来提高CNT-聚合物复合材料的性能来实现这一目标。同时，器件结构将进一步优化，以提高热电转换效率。此外，他计划寻找私营公司并进行研究，以解决产品商业化中的问题。