独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）柔性电子研究中心【研究中心主任 Toshihide Kamata】显示功能器件组研究组组长星野聪、研究员末森浩负责塑料薄膜、纸张等的开发柔性板以上，热电转换元件通过印刷。该技术使热电转换元件成为薄膜状元件，并赋予其高柔性，使其安装时不受安装位置形状的限制。此外，通过印刷可以降低制造过程的成本并节省资源。
为了推广使用将热能转化为电能的热电转换元件，需要提高转换效率、降低成本、提高便利性，使其能够安装在各种形状的废热部件中。在AIST，这是一种低成本的制造工艺打印方法形成柔性热电转换元件的技术，结果发现，碳材料以纳米级分散在树脂基体中的复合材料的发电能力比传统可印刷材料高15倍以上。我们还发现，当使用该材料溶液作为墨水在膜基板上形成印刷元件时，可以形成表现出良好的温差发电操作的膜状热电转换元件。新开发的薄膜热电转换元件将设备及设备的废热、体热等转化为电能作为能源能量收集将得到推广，为安全供电作出贡献。
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 Open Lab 2011 上介绍
 |
| 通过印刷生产的薄膜状热电转换元件 |
能量收集技术将环境中以热、振动、电磁波等多种形式存在的能量转化为电能，是一种高效、安全地将日常生活中常见的能源转化为电能的技术，有望广泛用作移动电子通信设备、传感器网络终端设备、个人医疗/保健设备等不需要充电或更换电池的本地电源。
其中，热电转换元件是最常见的能量转换元件，它可以直接将设备和设备的废热或体热等热能转换为电能，并且有望变得更加广泛。目前，热电转换元件以铋、碲等稀有金属为主要原料制造。在促进热电转换元件的废热利用的过程中，出现了以下问题。 (1)由于主要原材料为稀有金属，属于稀缺资源，价格波动较大，装置成本难以降低，难以大批量推广。 (2)目前使用的装置缺乏柔性和成型性，难以安装在非平面余热/热辐射源中。 (3)大规模能量转换的元件面积难以增加。
为了解决这些问题并广泛利用通过热电转换收集的能量，需要建立不受资源限制、柔性、大面积和低成本的新型热电转换材料和高生产率元件制造技术。
为了强化信息终端和能源设备的市场竞争力，产业技术研究所一直致力于开发轻、薄、自由形状、即使跌落也不会破损的柔性设备以及高生产率的制造技术。特别是最近，我们一直致力于开发使用印刷方法的器件形成技术，该技术可以实现高速生产，并且不需要真空或高温，可以节能且低成本地生产器件。此次，我们重点关注能够有效发挥印刷方法优势、高度契合社会对安全、简单能源供应需求的热电转换元件，并在全球首次成功印刷成型柔性热电转换元件。
为了实现高性能的薄膜型热电转换元件，我们不断寻找可薄膜化的热电转换材料，结果发现碳-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是能够通过热量产生电压塞贝克系数之外，还需要具有高导电率和低导热率。如果您尝试将碳纳米管等碳材料分散在聚合物材料中，它们强大的分子间力将导致它们聚集成束或颗粒。为了给CNT-聚合物复合材料提供高导电性，需要消除这种团聚状态，将CNT以纳米水平分散在聚合物中。因此，常用的方法是使用各种分散剂抑制CNT的聚集，然后将其分散成聚合物。然而，当用作热电转换元件时，如果分散剂残留在CNT-聚合物复合材料中，则产生电压产生能力降低的问题，并且分散剂不能容易地使用。因此，我们现在开发了一种不使用分散剂，使用机械分散方法将碳纳米管分散在聚合物溶液中的技术。将开发的CNT-聚合物复合材料调整溶解在溶剂中并制成墨水。使用该油墨，通过印刷形成图案，通过干燥、烧成，形成由CNT以纳米级分散的CNT-聚合物复合材料构成的热电转换材料（图1）。使用该方法生产的CNT-聚合物复合材料的塞贝克系数为013 mV/K，大约是使用传统方法生产的三倍，因为分散剂不会导致电动势下降。
 |
 |
| 图1 CNT-聚合物复合材料的形成方法（上）及其表面电子显微镜图像（下） |
为了获得表现出高转换效率的热电转换元件，重要的是在提高电导率的同时将构成材料的热导率保持在较低水平。这次，我们的目标是通过控制干燥和烧制过程来控制碳纳米管聚合物复合材料的微观结构，从而提高性能。由于同时实现了高导电率和低导热率，该材料的热电转换性能比传统方法制备的CNT-聚合物复合材料高50%以上性能指数≒003)。这是目前世界上可通过印刷形成的热电转换材料的最高价值。
在20微米（μm）厚的塑料薄膜基材上使用上述CNT-聚合物复合油墨模板印刷方法形成CNT-聚合物复合图案后，我们通过干燥和烧制创建了柔性热电转换元件（图2）。原型柔性热电转换膜具有由1,000个尺寸为05毫米宽×08毫米长×03毫米厚的元件串联连接的结构。即使弯曲至约5毫米的曲率半径，原型热电转换膜也没有表现出机械损伤，证实了其在弯曲和球形上安装的高度适应性。该团队还证明，即使在室温（25°C）和体温（36°C）之间存在温差，也可以通过展示良好的温差发电来生产高效的热电转换元件。
 |
 |
| 图2 印刷法制成的柔性热电转换薄膜（左）及其发电能力（右） 当将手放在放置在约10℃的板上的原型元件上施加温差时，产生1089mV的电压。 |
未来，通过CNT-聚合物复合材料的微观结构控制来提高材料的性能，我们的目标是开发一种性能与传统固体热电转换材料相当的传热材料，并且可以印刷在薄膜基材上。同时，他们计划优化器件结构，进一步提高热电转换效率。此外，我们还将寻求企业进行联合研究并探讨商业化问题。