コアシェル型単分子接合を利用した革新的フレキシブル熱電材料の創出

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身の周りの廃熱から電力を得ることのできる熱電変換素子はIoT用電源として有望である。体温から経常的に電気を生み出せることは魅力的であり、ヘルスモニタ用電源など多くの応用が期待される。しかし、従来の硬くて重い素子を身に着けることは現実的ではないため、高い柔軟性と軽量性を特徴とするカーボンナノチューブ（CNT）複合材料がフレキシブル熱電材料として有望視され、研究が盛んに行われている。それにつれて、材料の性能を表す無次元性能指数ZTも大きく向上しつつある。ただし、実用化のためには、ZTだけを重視するのでなく、実使用環境での性能や使い勝手を考慮した素子開発が必要である。例えば、熱電素子を体に貼り付け、大気への自然放熱を利用し温度差を付けることを想定すると、素子に生じる温度差は厚みと熱伝導率の関数となる。熱伝導計算から、十分な温度差を得て高い出力を得るためには、素子の熱伝導率が0.1 W/Km以下、厚みが2 mm以上必要と計算される。しかし、CNTは熱伝導率が高いことが知られており、熱伝導率を抑制する新たな材料設計が要求される。また、従来の蒸着やウェットプロセスでは数mmの厚みをもつ高品質な活性層を形成することは容易ではなく、厚みと柔軟性の両立も困難である。本研究では、これら２つの課題を解決する統合的な材料／素子設計を確立することを目的とした。素子設計に関し、糸状熱電材料を布に縫い作成する布状熱電変換素子を考案した。この素子は厚みが容易で曲げや伸ばしに強く、服に縫い付けることで熱電服が実現できる。これまでにストライプ状にドーピングされたナノチューブ紡績糸を使用し布状熱電変換素子の実証に成功した。また、材料設計に関してバイオ分子の自己組織性を利用することでナノチューブの熱伝導率を大きく抑制する方法を開発した。以上のように熱電服の実現にむけての技術の開発に成功した。