JP2000357821A - Manufacture of thermoelectric semiconductor material or element, and manufacture of thermoelectric module - Google Patents

Manufacture of thermoelectric semiconductor material or element, and manufacture of thermoelectric module

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JP2000357821A
JP2000357821A JP11168390A JP16839099A JP2000357821A JP 2000357821 A JP2000357821 A JP 2000357821A JP 11168390 A JP11168390 A JP 11168390A JP 16839099 A JP16839099 A JP 16839099A JP 2000357821 A JP2000357821 A JP 2000357821A
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JP
Japan
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semiconductor material
axis
thermoelectric
thermoelectric semiconductor
crystal grains
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Yasutoku Sato
泰徳 佐藤
Akio Konishi
明夫 小西
Kiyoji Sasaki
喜代治 佐々木
Keisuke Ikeda
圭介 池田
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Komatsu Ltd
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Komatsu Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a thermoelectric semiconductor material or element that is effective for improving thermoelectric performance, and a method for manufacturing a thermoelectric module. SOLUTION: The powder and solvent of a semiconductor material are filled into a rubber tube 42, and both the ends of the rubber tube 42 are fixed by a fixing ring 44 while upper and lower directions are sealed by an upper cover 38 and a lower cover 40. Then, the rubber tube 42 is dipped into an oil bath 46, hydraulic loading is utilized, and the semiconductor material in the rubber tube 42 is uniformly pressed from a side surface.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電半導体材料ま
たは素子の製造方法および熱電モジュールの製造方法に
関し、特に、熱電性能の向上に有効な熱電半導体材料ま
たは素子の製造方法および熱電モジュールの製造方法に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric semiconductor material or element and a method of manufacturing a thermoelectric module, and more particularly to a method of manufacturing a thermoelectric semiconductor material or element and a method of manufacturing a thermoelectric module effective for improving thermoelectric performance. About.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から熱電気現象を利用した熱電素子
が熱交換器や温度センサとして利用されている。熱電気
現象は、ペルチェ効果、トムソン効果およびゼーベック
効果の総称であり、それぞれ次のように説明される。
2. Description of the Related Art Conventionally, thermoelectric elements utilizing a thermoelectric phenomenon have been used as heat exchangers and temperature sensors. The thermoelectric phenomenon is a general term for the Peltier effect, the Thompson effect, and the Seebeck effect, and each is described as follows.

【0003】ペルチェ効果とは、異種金属の接合点に電
流を流すと、該接合点に熱の発生または吸収が起こる現
象であり、トムソン効果とは、温度勾配を有する金属に
電流を流すと、該金属内で熱の発生または吸収が起こる
現象である。電子冷却器として使用されるペルチェ素子
は、上記ペルチェ効果を利用した熱電素子である。
[0003] The Peltier effect is a phenomenon in which when a current flows through a junction of dissimilar metals, heat is generated or absorbed at the junction. The Thomson effect is a phenomenon in which a current flows through a metal having a temperature gradient. This is a phenomenon in which heat is generated or absorbed in the metal. The Peltier element used as the electronic cooler is a thermoelectric element using the Peltier effect.

【0004】ゼーベック効果とは、異種金属の接合点を
異なる温度に保つと起電力が試料の高温側と低温側に生
ずる現象であり、温度センサとして使用される熱電対
は、このゼーベック効果を利用した熱電素子である。
[0004] The Seebeck effect is a phenomenon in which an electromotive force is generated on the high temperature side and the low temperature side of a sample when the junction of dissimilar metals is kept at different temperatures. A thermocouple used as a temperature sensor uses this Seebeck effect. This is a thermoelectric element.

【0005】上記のような熱電素子は、構造が簡単で安
定な特性を有し、取扱が容易であることから、半導体レ
ーザの温調や小型冷蔵庫への適用に向けて広く研究開発
が進められている。
[0005] The thermoelectric element as described above has a simple structure, has stable characteristics, and is easy to handle. Therefore, research and development have been widely conducted for temperature control of a semiconductor laser and application to a small refrigerator. ing.

【0006】上記熱電素子の形成材料としては、ビスマ
ス(Bi)およびアンチモン(Sb)からなる群から選
択された1種または2種と、テルル(Te)およびセレ
ン(Se)からなる群から選択された1種または2種と
からなる合金が現在使用されている。これらの化合物
は、層状構造化合物であり、結晶構造に起因する熱電気
的特性に異方性を有する半導体材料である。
The material for forming the thermoelectric element is selected from one or two selected from the group consisting of bismuth (Bi) and antimony (Sb) and the group consisting of tellurium (Te) and selenium (Se). One or two alloys are currently in use. These compounds are layered structure compounds, and are semiconductor materials having anisotropic thermoelectric properties due to the crystal structure.

【0007】上記のような層状構造化合物からなる半導
体材料を加工して、結晶粒の微細化および配向度の向上
を図る技術としては、一方向凝固法、ホットプレス、押
し出し法等の様々な技術が知られている。
Various techniques such as unidirectional solidification, hot pressing, and extrusion are known as techniques for processing a semiconductor material comprising a layered structure compound as described above to refine crystal grains and improve the degree of orientation. It has been known.

【0008】一方向凝固法とは、結晶の成長方向が制御
された溶製材を生成する方法であり、この方法によれ
ば、優れた配向度を有する多結晶材料が得られる。一方
向凝固法の具体例としては、ブリッジマン法が知られて
いる。ただし、この一方向凝固法によって生成された多
結晶材料には、材料強度が弱いという課題がある。従っ
て、この方法によって得られた多結晶材料をそのまま熱
電半導体素子として用いることは好ましくない。
The unidirectional solidification method is a method for producing an ingot having a controlled crystal growth direction, and according to this method, a polycrystalline material having an excellent degree of orientation can be obtained. As a specific example of the directional solidification method, the Bridgman method is known. However, the polycrystalline material produced by the unidirectional solidification method has a problem that the material strength is low. Therefore, it is not preferable to use the polycrystalline material obtained by this method as it is as a thermoelectric semiconductor element.

【0009】ホットプレスは、溶製材の粉末等を一軸方
向に圧縮して、材料強度の向上が図られた多結晶材料を
生成する方法である。一軸方向に圧縮する理由は、外力
によって結晶配向を強制的に揃えるためである。これら
の方法によれば、上記一方向凝固法の材料強度が弱いと
いう課題が解決され、配向性に優れた多結晶材料が得ら
れる。
The hot pressing is a method of compressing ingot material powder or the like in a uniaxial direction to produce a polycrystalline material having improved material strength. The reason for compression in the uniaxial direction is to forcibly align the crystal orientation by an external force. According to these methods, the problem that the material strength of the unidirectional solidification method is low is solved, and a polycrystalline material having excellent orientation can be obtained.

【0010】押し出し法は、粉末またはこの粉末を成形
したものをダイスに投入し、このダイス内の材料をパン
チを用いて押し出しながら圧縮成形する方法である。こ
の押し出し法を開示した先行文献としては、特開昭63
−138789号公報、特開平8−186299号公報
および特開平10−56210号公報がある。この方法
によれば、材料全体に強い力がかかるため、より微細な
結晶粒を得ることができ、かつ、材料強度も向上する。
The extrusion method is a method in which a powder or a molded product of the powder is put into a die, and the material in the die is extruded using a punch and compression-molded. As a prior document that discloses this extrusion method, Japanese Patent Application Laid-Open
JP-A-138789, JP-A-8-186299 and JP-A-10-56210. According to this method, since a strong force is applied to the entire material, finer crystal grains can be obtained, and the material strength is also improved.

【0011】従って、結晶の配向性および材料強度の面
から、ホットプレス、冷間プレス、押し出し法が現在熱
電半導体素子の製造方法として広く利用されている。
Therefore, from the viewpoints of crystal orientation and material strength, hot pressing, cold pressing, and extrusion methods are currently widely used as methods for manufacturing thermoelectric semiconductor devices.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年、より優
れた熱電性能を有する熱電素子が望まれており、上述し
た従来技術をより発展させた新規な技術が求められてい
る。
However, in recent years, a thermoelectric element having better thermoelectric performance has been demanded, and a new technology which is a further development of the above-described conventional technology is required.

【0013】そこで、本発明は、熱電性能の向上に有効
な熱電半導体材料または素子の製造方法および熱電モジ
ュールの製造方法を提供することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a thermoelectric semiconductor material or element and a method for manufacturing a thermoelectric module, which are effective for improving thermoelectric performance.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する手段
として、以下に示すアプローチを行ったので、ここに説
明する。
As means for achieving the above object, the following approach has been taken and will be described here.

【0015】まず、本発明の基本事項である層状構造化
合物の結晶構造について説明する。結晶構造についての
知識は本発明の理解に有用であるため、以下詳細に説明
する。
First, the crystal structure of a compound having a layered structure, which is a basic matter of the present invention, will be described. Since knowledge of the crystal structure is useful for understanding the present invention, it will be described in detail below.

【0016】図1は、層状構造化合物の結晶構造を示す
模式斜視図である。同図は、V族元素とVI族元素とを
2対3の組成比で含む層状構造化合物の結晶構造を示し
たものである。また、同図に示す結晶構造は、V族元素
として、ビスマス(Bi)およびアンチモン(Sb)
を、VI族元素として、セレン(Se)およびテルル
(Te)を想定したものである。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing the crystal structure of a layered structure compound. FIG. 1 shows the crystal structure of a layered structure compound containing a group V element and a group VI element in a composition ratio of 2: 3. Further, the crystal structure shown in the figure has bismuth (Bi) and antimony (Sb) as group V elements.
Are assumed to be selenium (Se) and tellurium (Te) as Group VI elements.

【0017】同図に示すように、V族元素とVI族元素
の化合物は、六方晶構造を有し、同図中六角形で示した
部分が層状構造化合物の基底面であり、C面と称される
結晶面である。層状構造化合物は、このC面がC軸方向
に多数積層されるとともにA軸およびB軸方向に広がっ
た構造を有する。
As shown in the figure, the compound of a group V element and a group VI element has a hexagonal structure, and the hexagonal portion in the figure is the basal plane of the layered structure compound, This is the so-called crystal plane. The layered structure compound has a structure in which a large number of C planes are stacked in the C axis direction and spread in the A axis and B axis directions.

【0018】キャリアは、このC面と平行方向に最も流
れやすいため、層状構造化合物の単結晶が最も電気的異
方性の高い材料であると言える。しかし、前述したよう
に層状構造化合物は、層間の結合力が層面内の結合力よ
りも弱いため、単結晶のまま熱電材料として使用するこ
とは材料強度の面で好ましくない。
Since carriers flow most easily in the direction parallel to the C plane, it can be said that a single crystal of a layered structure compound is the material having the highest electrical anisotropy. However, as described above, since the bonding force between layers of the layered structure compound is weaker than the bonding force in the layer plane, it is not preferable in terms of material strength to use the single crystal as a thermoelectric material.

【0019】例えば、ビスマス−テルル系の層状構造化
合物では、テルル原子の間に弱いファン・デル・ワール
ス結合が存在するため、著しい劈開性を有し、単結晶に
近い状態では、熱電素子としての耐久性が不足してい
る。そこで、通常は、層状構造化合物の多結晶が熱電半
導体材料として使用される。
For example, a bismuth-tellurium-based layered compound has a remarkable cleavage property due to the presence of a weak van der Waals bond between tellurium atoms. Insufficient durability. Therefore, usually, a polycrystal of a layered structure compound is used as a thermoelectric semiconductor material.

【0020】図2は、層状構造化合物の多結晶の構造を
示す模式斜視図である。同図に示すように、層状構造化
合物の多結晶は、微細な結晶粒10の集合体であり、単
結晶よりも優れた材料強度を得ることができる。
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a polycrystalline structure of the layered structure compound. As shown in the figure, the polycrystal of the layered structure compound is an aggregate of fine crystal grains 10 and can obtain a material strength superior to that of a single crystal.

【0021】また、各結晶粒10の界面(以下、「結晶
粒界」という)では、フォノンが散乱されるため、複数
の結晶粒10からなる多結晶体によって形成された熱電
素子は、熱伝導率が低くなる傾向にある。従って、多結
晶は、熱電性能の面からも好ましい構造である。
In addition, since phonons are scattered at the interface between the crystal grains 10 (hereinafter, referred to as “crystal grain boundaries”), the thermoelectric element formed by the polycrystal composed of the plurality of crystal grains 10 has a thermal conductivity. Rates tend to be lower. Therefore, polycrystal is a preferable structure also in terms of thermoelectric performance.

【0022】一方、前述したように、キャリアは、層状
構造化合物のC面に沿って流れやすいという性質を有す
るため、図2に示すように、各結晶粒10のC面が全て
キャリアの進路に沿って起立した状態(以下、「起立配
向」という)が最も電気抵抗率が低くなる。従って、多
結晶材料を用いる場合には、各結晶粒10を起立配向さ
せることが熱電性能を向上させる上で重要となる。
On the other hand, as described above, since the carrier easily flows along the C-plane of the layered structure compound, as shown in FIG. 2, the C-plane of each crystal grain 10 is entirely along the path of the carrier. The electric resistivity is lowest in the state of standing along (hereinafter, referred to as “standing orientation”). Therefore, in the case of using a polycrystalline material, it is important to make the crystal grains 10 stand up in order to improve the thermoelectric performance.

【0023】ここで、熱電素子の熱電性能は、[式1] ここで:Z=性能指数×10−3(1/K);α=ゼー
ベック係数(μV/K);σ=導電率(μΩ−1cm
−1);κ=熱伝導率(mW/cmK);ρ=電気抵抗
率(μΩ・cm)上式で表される。
Here, the thermoelectric performance of the thermoelectric element is expressed by [Equation 1]. Where: Z = index of performance × 10 −3 (1 / K); α = Seebeck coefficient (μV / K); σ = conductivity (μΩ −1 cm)
-1 ); κ = thermal conductivity (mW / cmK); ρ = electrical resistivity (μΩ · cm).

【0024】上式を参照すれば、結晶粒10を微細化し
て熱伝導率κを低下させるとともに、各結晶粒10を起
立配向させて電気抵抗率ρを低くすることが熱電性能の
向上につながることがわかる。
Referring to the above equation, miniaturization of the crystal grains 10 to lower the thermal conductivity κ and lowering the electrical resistivity ρ by erecting the crystal grains 10 lead to improvement in thermoelectric performance. You can see that.

【0025】従来のホットプレスおよび冷間プレス等の
一軸プレスでは、半導体材料を一軸方向に圧縮すること
で、一種の起立配向状態を実現し、その結果として、電
気抵抗率ρの低下をねらっている。
In a conventional uniaxial press such as a hot press or a cold press, a kind of upright orientation state is realized by compressing a semiconductor material in a uniaxial direction. As a result, the electric resistivity ρ is reduced. I have.

【0026】図3は、一軸プレスによる結晶粒の配向傾
向を示す模式斜視図である。同図に示す六角形のオブジ
ェクトは、図2に示した結晶粒10を簡略化して示した
ものであり、該オブジェクトの六角面が結晶粒10のC
面を表すものとする。同図に示すように、多結晶材料を
一軸方向に押圧すると、該多結晶材料中に含まれた結晶
粒10は、外力から加えられた圧力によって、一定の方
向に一軸配向しようとする。
FIG. 3 is a schematic perspective view showing the orientation tendency of crystal grains by uniaxial pressing. The hexagonal object shown in the figure is a simplified representation of the crystal grain 10 shown in FIG.
Shall represent a surface. As shown in the figure, when a polycrystalline material is pressed in a uniaxial direction, crystal grains 10 contained in the polycrystalline material tend to be uniaxially oriented in a certain direction by a pressure applied from an external force.

【0027】このとき結晶粒10が配向する方向は、押
圧方向に対してC面が直交する方向である。実際には、
同図に示すような完全な配向は得られないが、一軸プレ
スによって加工された多結晶材料は、この状態に近づく
傾向がある。
At this time, the direction in which the crystal grains 10 are oriented is a direction in which the C plane is perpendicular to the pressing direction. actually,
Although perfect orientation as shown in the figure cannot be obtained, a polycrystalline material processed by uniaxial pressing tends to approach this state.

【0028】従来は、同図に示したC面の配向方向を通
電方向に設定し、電気抵抗率ρの低下を図っていたので
ある。しかし、一軸プレスによって製造された熱電半導
体素子の電気抵抗率ρは、思った程低くなく、同図に示
すような完全に配向した状態からは、ほど遠いものであ
ることが予想される。
Conventionally, the orientation direction of the C-plane shown in FIG. 1 is set to the direction of current flow to reduce the electrical resistivity ρ. However, the electrical resistivity ρ of the thermoelectric semiconductor element manufactured by the uniaxial press is not as low as expected, and is expected to be far from the fully oriented state shown in FIG.

【0029】そこで、発想の転換を図り、C面を一定の
方向に揃えるのではなく、キャリアの進行方向に対して
起立させるという点に着目して、次のような状態を考え
てみた。
Then, the following state was considered by focusing on the point that the idea was changed and the C-plane was not aligned in a fixed direction, but was raised in the direction of carrier movement.

【0030】図4は、自由起立配向した結晶粒の状態を
示す模式斜視図である。同図に示すように、キャリアの
進行方向をZ軸とした場合に、結晶粒10のC面がX軸
およびY軸に対してどのように向いているかに拘わら
ず、該C面がZ軸に沿って起立している状態(以下、
「自由起立配向」という)であれば、電気抵抗率ρを低
下させることができる。
FIG. 4 is a schematic perspective view showing the state of free-standing oriented crystal grains. As shown in the figure, when the traveling direction of the carrier is the Z axis, regardless of how the C plane of the crystal grain 10 is oriented with respect to the X axis and the Y axis, the C plane is the Z axis. Standing along (hereinafter,
"Free standing orientation"), the electrical resistivity p can be reduced.

【0031】この自由起立配向は、図3に示した一定方
向の配向とは異なり、結晶粒10のC面がX軸およびY
軸に対してどのように向いていてもよいという自由度を
有する。このような自由度が許容されることにより、従
来の一軸プレスという固定概念から逸脱した工程を適用
することができる。
This free standing orientation is different from the orientation in a fixed direction shown in FIG.
It has the freedom to be oriented in any way with respect to the axis. By allowing such a degree of freedom, it is possible to apply a process deviating from the conventional fixed concept of a uniaxial press.

【0032】このような観点から創作行為を繰り返した
結果、「一の軸(即ち、通電方向)に対して直交する少
なくとも3つの方向から押圧する」という発想を得た。
つまり、結晶粒のC面は、押圧方向と直交する方向に向
く性質があるため、通電方向に直交する方向から押圧す
れば、結晶粒のC面が通電方向と平行に揃うことにな
る。
As a result of repeating the creative act from such a viewpoint, the idea of "pressing in at least three directions orthogonal to one axis (ie, the direction of conduction)" was obtained.
That is, since the C plane of the crystal grain has a property of being oriented in a direction perpendicular to the pressing direction, if pressed from a direction perpendicular to the energizing direction, the C plane of the crystal grain is aligned in parallel with the energizing direction.

【0033】ただし、「通電方向に直交する方向から押
圧」する点に関しては、従来の一軸プレスについても同
様のことが言える。しかし、上記発想には、「少なくと
も3つの方向から押圧」するという特有の概念が含まれ
ており、従来の一軸プレスとは異なる。この3つの方向
から押圧するという概念は、前述した自由度が許容され
ることによって初めて適用できる概念であり、従来の一
軸プレスから容易に想到できるものではない。
However, the same applies to the conventional uniaxial press with respect to the point of "pressing from a direction perpendicular to the energizing direction". However, the above-mentioned idea includes a unique concept of “pressing from at least three directions”, which is different from a conventional uniaxial press. The concept of pressing from these three directions is a concept that can be applied only when the degree of freedom described above is allowed, and cannot be easily conceived from a conventional uniaxial press.

【0034】続いて、熱電半導体素子の性能を一層向上
させるべく、押し出し法についても検討を加えたので、
その結果を以下に説明する。
Subsequently, in order to further improve the performance of the thermoelectric semiconductor device, the extrusion method was also studied.
The results are described below.

【0035】押し出し法は、前述したように、結晶粒の
微細化と配向度の向上に有効な手段である。しかし、従
来の押し出し法では、確かに微細化は図られるが、配向
度が思った程向上しないことがわかった。この原因は、
主に、押し出し材料の配向性にあると考えられる。
As described above, the extrusion method is an effective means for refining crystal grains and improving the degree of orientation. However, it has been found that the conventional extrusion method can certainly achieve the fineness, but does not improve the degree of orientation as expected. This is because
It is considered that this is mainly due to the orientation of the extruded material.

【0036】即ち、押し出し法で使用される押し出し材
料は、前述したように、粉末を成形したもの(以下、
「プレ成形体」という)が一般的である。粉末は、結晶
配向がバラバラであるため、これを単に押し出しても、
押し出されるまでに結晶配向が揃いきれず、不十分な状
態で成形されてしまうものと考える。
That is, as described above, the extruded material used in the extrusion method is obtained by molding a powder (hereinafter, referred to as “powder”).
"Pre-molded body") is common. Since the powder has a different crystal orientation, simply extruding it,
It is considered that the crystal orientation is not uniform before being extruded, and the molding is performed in an insufficient state.

【0037】そこで、プレ成形体の結晶配向を揃えてか
ら押し出す構成について検討してみた。ここで、重要な
点は、プレ成形体の配向方向と押し出し方向との関係で
ある。即ち、プレ成形体の配向性がいかに優れていて
も、押し出し時にプレ成形体に加わる圧力が該プレ成形
体の配向性を活かすものでなければ、逆に、結晶配向を
乱す原因になるからである。
Therefore, a configuration in which the preformed body was extruded after the crystal orientation was aligned was examined. Here, the important point is the relationship between the orientation direction of the pre-molded body and the extrusion direction. In other words, no matter how excellent the orientation of the pre-molded article is, even if the pressure applied to the pre-molded article at the time of extrusion does not utilize the orientation of the pre-molded article, on the contrary, it becomes a cause of disturbing the crystal orientation. is there.

【0038】従って、プレ成形体の配向方向と押し出し
方向との関係を定義づけるためには、まず、押し出し法
の特徴を十分理解しておく必要がある。
Therefore, in order to define the relationship between the orientation direction of the pre-molded article and the extrusion direction, it is necessary to first fully understand the features of the extrusion method.

【0039】押し出し法は、前述したように、ダイス内
に投入した多結晶材料をパンチで押し出す方法である。
この押し出しに使用されるダイスは、押し出し方向に沿
った絞り形状を有するため、このダイスを通過した多結
晶材料は、圧縮される。即ち、押し出し法では、多結晶
材料がダイス壁面からの垂直抗力を受けて、押し出し方
向と直交する方向に絞られるのである。
As described above, the extrusion method is a method of extruding a polycrystalline material put into a die with a punch.
Since the die used for the extrusion has a drawn shape along the extrusion direction, the polycrystalline material passing through the die is compressed. That is, in the extrusion method, the polycrystalline material receives a normal reaction from the die wall surface and is squeezed in a direction orthogonal to the extrusion direction.

【0040】このことは、押し出しによって、前述した
自由起立配向が多結晶材料内で作り出されるであろうこ
とを示す重要な考え方である。この点に着目してさらに
考察してみると、プレ成形体の結晶配向を押し出しによ
って作り出される配向と一致させれば、押し出しによる
配向制御が効率的に働くという発想が得られる。即ち、
「プレ成形体の結晶配向と押し出し方向とを一致させ
る」のである。
This is an important notion that the extrusion will create the free upright orientation described above in the polycrystalline material. Focusing on this point and further studying, it is possible to obtain an idea that if the crystal orientation of the pre-molded article is made to coincide with the orientation produced by extrusion, the orientation control by extrusion works efficiently. That is,
"The crystal orientation of the pre-formed body is made to coincide with the extrusion direction."

【0041】本発明は、前述した「一の軸に対して直交
する少なくとも3つの方向から押圧する」という発想
と、「プレ成形体の結晶配向と押し出し方向とを一致さ
せる」という2つの発想に基づいて、前述した課題の解
決を図ろうとするものである。
The present invention is based on the two ideas of "pressing in at least three directions perpendicular to one axis" and the two ideas of "coinciding the crystal orientation of the pre-formed body with the extrusion direction". Based on this, it is intended to solve the above-mentioned problem.

【0042】[0042]

【発明の実施の形態】(発明の概要)上記発想に基づい
て想到された本発明の一の特徴は、層状構造化合物の結
晶粒を含む半導体材料の押圧を、一の軸に対して直交す
る少なくとも3つの方向から行うことにある。一の軸と
は、熱電半導体素子の通電方向に相当する軸であり、こ
の軸に対して直交する方向からの押圧により、結晶粒の
C面が通電方向と平行な状態に近づく。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Summary of the Invention) One feature of the present invention conceived based on the above idea is that pressing of a semiconductor material containing crystal grains of a layered structure compound is perpendicular to one axis. That is to do from at least three directions. The one axis is an axis corresponding to the direction of conduction of the thermoelectric semiconductor element. Pressing from a direction perpendicular to this axis causes the C plane of the crystal grain to approach a state parallel to the direction of conduction.

【0043】また、少なくとも3つの方向からの押圧に
より、半導体材料中に結晶粒の自由起立配向が生じ、電
気抵抗率ρの低下が図られる。この自由起立配向は、従
来の一軸プレスによって達成される一軸配向とは異な
り、比較的自由度の高い配向である。
Further, by the pressing from at least three directions, free standing orientation of crystal grains is generated in the semiconductor material, and the electric resistivity ρ is reduced. The free standing orientation is an orientation having a relatively high degree of freedom, unlike the uniaxial orientation achieved by a conventional uniaxial press.

【0044】上記のような自由起立配向を有する材料
は、熱電性能の異方性が高いため、熱電半導体材料とし
て有用である。加えて、押し出し法によって達成される
結晶配向と類似の結晶配向を有するため、押し出し材料
としても有用である。自由起立配向を生じさせる本発明
は、従来の一軸プレスに対して、多軸プレスと表現する
こともできる。
The material having the free-standing orientation as described above is useful as a thermoelectric semiconductor material because of its high anisotropy in thermoelectric performance. In addition, since it has a crystal orientation similar to that achieved by the extrusion method, it is also useful as an extrusion material. The present invention in which a free standing orientation is generated can be expressed as a multiaxial press as compared with a conventional uniaxial press.

【0045】本発明の第2の特徴は、プレ成形体のC面
の起立軸と該プレ成形体の押し出し方向とを一致させる
ことにある。押し出し法は、プレ成形体の押し出し方向
に結晶粒のC面が起立するという特性を有するため、プ
レ成形体のC面の起立軸と押し出し方向とを一致させれ
ば、押し出し時に結晶粒に働く力がプレ成形体の結晶配
向に適合したものとなり、配向度の向上が期待できる。
A second feature of the present invention resides in that the upright axis on the C-plane of the pre-molded article is made coincident with the extrusion direction of the pre-molded article. Since the extrusion method has a characteristic that the C plane of the crystal grain stands in the extrusion direction of the pre-formed body, if the rising axis of the C plane of the pre-formed body is made to coincide with the extrusion direction, it acts on the crystal grain during extrusion. The force is adapted to the crystal orientation of the pre-formed body, and an improvement in the degree of orientation can be expected.

【0046】(第1の形態)本発明の第1の形態は、自
由起立配向を有する熱電半導体材料または熱電半導体素
子を製造する発明である。以下、図5乃至図9を参照し
ながら、本発明の第1の形態の構成を説明する。尚、以
下の説明では、この第1の形態によって製造される熱電
半導体材料または熱電半導体素子をプレ成形体と称す
る。
(First Embodiment) A first embodiment of the present invention is an invention for producing a thermoelectric semiconductor material or a thermoelectric semiconductor element having a free standing orientation. Hereinafter, the configuration of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the following description, the thermoelectric semiconductor material or thermoelectric semiconductor element manufactured according to the first embodiment will be referred to as a pre-molded body.

【0047】図5は、円形のプレ成形体を形成する工程
の実行状態を示す模式斜視図である。同図に示すよう
に、本発明の第1の形態では、まず、半導体材料12を
一の軸に対して直交する少なくとも3つの方向から押圧
する。ここで、該半導体材料12の材料外縁24は、円
柱形状であるものと想定する。即ち、該円柱形状の中心
軸に直交する少なくとも3つの方向から、該円柱形状の
側壁を押圧するのである。
FIG. 5 is a schematic perspective view showing an execution state of a step of forming a circular pre-formed body. As shown in the figure, in the first embodiment of the present invention, first, the semiconductor material 12 is pressed from at least three directions orthogonal to one axis. Here, it is assumed that the material outer edge 24 of the semiconductor material 12 has a cylindrical shape. That is, the cylindrical side wall is pressed from at least three directions orthogonal to the central axis of the cylindrical shape.

【0048】この時の押圧は、円柱形状の上面と下面を
フリーにした状態で行ってもよく、また、円柱形状の上
面と下面に支えを設けて、半導体材料12の上下方向の
動きを拘束した状態で行ってもよい。上下方向の動きを
拘束した状態で押圧すれば、圧縮による材料の伸びが抑
えられるため、圧縮率が高くなり、より強固な成形体が
得られる。
The pressing at this time may be performed with the upper and lower surfaces of the cylindrical shape being free, and the upper and lower surfaces of the cylindrical shape are provided with supports to restrict the vertical movement of the semiconductor material 12. It may be performed in a state where it is done. If the pressing is performed in a state in which the movement in the vertical direction is restricted, the elongation of the material due to the compression is suppressed, so that the compression ratio is increased and a stronger molded body is obtained.

【0049】同図に示すように、半導体材料12とは、
急冷ロール法によって作製された薄状粉18と、遠心ア
トマイズ法等の急冷凝固法によって作製された球状粉2
0と、一方向凝固法によって得られた溶製材を粉砕して
作製された粉砕粉22とを含む概念である。
As shown in the figure, the semiconductor material 12 is
Thin powder 18 produced by a quenching roll method and spherical powder 2 produced by a rapid solidification method such as a centrifugal atomizing method
The concept includes 0 and a pulverized powder 22 produced by pulverizing an ingot obtained by the unidirectional solidification method.

【0050】これらの材料は、前述した層状構造化合物
であり、薄状粉18は、結晶粒のC面が膜厚に対して垂
直に配向した多結晶薄膜であり、球状粉20は、結晶粒
のC面が放射状に配向した多結晶粒であり、粉砕粉22
は、結晶粒のC面が一定の方向に配向した多結晶粉末で
ある。これらの多結晶材料は、いずれも熱電半導体の分
野で公知の材料であり、その製造方法の詳細な説明は省
略する。
These materials are the above-mentioned compounds having a layered structure. The thin powder 18 is a polycrystalline thin film in which the C plane of crystal grains is oriented perpendicular to the film thickness. Are polycrystalline grains whose C-plane is radially oriented, and
Is a polycrystalline powder in which the C plane of crystal grains is oriented in a certain direction. These polycrystalline materials are all known materials in the field of thermoelectric semiconductors, and a detailed description of the manufacturing method is omitted.

【0051】半導体材料12を押圧する押圧方向Pは、
同図に示すように、該円柱形状の中心軸に対して放射状
に設定することが好ましく、より好ましくはその側面の
全周全てを均等な力で同時に押圧する。側面とは、円柱
の中心軸を取り囲む面を意味する。円柱形状の側面全周
を均等に押圧する方法は、後述の実施例で詳述する。
The pressing direction P for pressing the semiconductor material 12 is as follows.
As shown in the figure, it is preferable to set radially with respect to the center axis of the columnar shape, and more preferably to press all the circumferences of the side surfaces simultaneously with a uniform force. The side surface means a surface surrounding the central axis of the cylinder. A method of uniformly pressing the entire circumference of the cylindrical side surface will be described in detail in the following embodiments.

【0052】図6は、図5に示した工程によって得られ
たプレ成形体の配向状態を示す模式図である。同図
(a)は図5の平面図であり、同図(b)は図5の側面
図である。図5の工程によって得られたプレ成形体13
は、同図(a)および(b)に示すように、材料外縁2
4が押圧によって圧縮された形状となる。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the orientation of the pre-molded article obtained by the process shown in FIG. 5A is a plan view of FIG. 5, and FIG. 5B is a side view of FIG. Pre-formed body 13 obtained by the process of FIG.
Is the material outer edge 2 as shown in FIGS.
4 has a shape compressed by pressing.

【0053】その結果、結晶粒10が押圧された方向と
直交する方向に起立し、円柱形状の中心軸が結晶粒10
のC面の起立軸になる。そして、得られたプレ成形体1
3は、同図(b)の拡大図に示すように、結晶粒10が
自由起立配向した状態となる。
As a result, the crystal grains 10 stand in a direction perpendicular to the direction in which the crystal grains 10 are pressed, and the central axis of the columnar shape is
Of the C-plane. Then, the obtained pre-formed body 1
3 shows a state in which the crystal grains 10 are freely erected, as shown in the enlarged view of FIG.

【0054】尚、上記押圧を加熱しながら行えば、プレ
成形体13は焼結体となり、必要に応じてカッティング
すれば、そのまま熱電半導体素子として使用することが
できる。また、この段階で得られたプレ成形体13を押
し出し材料として使用すれば、より配向度の高い熱電半
導体を得ることができる。この例については後述する。
If the above-mentioned pressing is performed while heating, the pre-formed body 13 becomes a sintered body, and if it is cut as needed, it can be used as it is as a thermoelectric semiconductor element. Further, if the pre-formed body 13 obtained at this stage is used as an extruded material, a thermoelectric semiconductor having a higher degree of orientation can be obtained. This example will be described later.

【0055】図7は、矩形のプレ成形体を形成する工程
の実行状態を示す模式斜視図である。同図に示すよう
に、本発明は、半導体材料12の材料外縁24が矩形の
場合にも適用可能である。この場合には、押圧方向Pを
該矩形の全側面に設定する。例えば、同図に示すよう
に、半導体材料12の材料外縁24が直方体である場合
には、該直方体の4つの側面に対してそれぞれ押圧方向
Pを設定する。材料外縁24が五角柱、六角柱等の多角
柱の場合も同様に、該多角柱の側面に対してそれぞれ押
圧方向Pを設定すれば、結晶粒の自由起立配向を生じさ
せることができる。
FIG. 7 is a schematic perspective view showing an execution state of a step of forming a rectangular pre-formed body. As shown in the figure, the present invention can be applied to a case where the material outer edge 24 of the semiconductor material 12 is rectangular. In this case, the pressing direction P is set to all sides of the rectangle. For example, as shown in the figure, when the material outer edge 24 of the semiconductor material 12 is a rectangular parallelepiped, the pressing direction P is set for each of the four side surfaces of the rectangular parallelepiped. Similarly, in the case where the material outer edge 24 is a polygonal prism such as a pentagonal prism, a hexagonal prism, or the like, if the pressing direction P is set for each of the side surfaces of the polygonal prism, the free upright orientation of the crystal grains can be generated.

【0056】図8は、図7に示した工程によって得られ
たプレ成形体の配向状態を示す模式図である。同図
(a)は図7の平面図であり、同図(b)は図7の側面
図である。図7の工程によって得られたプレ成形体13
も前記円形のプレ成形体と同様に、材料外縁24が押圧
によって圧縮された形状となる。
FIG. 8 is a schematic view showing the orientation of the pre-molded article obtained by the process shown in FIG. 7A is a plan view of FIG. 7, and FIG. 7B is a side view of FIG. Preformed body 13 obtained by the process of FIG.
Also, similarly to the circular pre-formed body, the material outer edge 24 has a shape compressed by pressing.

【0057】その結果、結晶粒10が押圧された方向と
直交する方向に起立し、直方体の中心軸が結晶粒10の
C面の起立軸になる。そして、得られたプレ成形体13
は、同図(b)の拡大図に示すように、結晶粒10が自
由起立配向した状態となる。
As a result, the crystal grains 10 stand in the direction perpendicular to the direction in which the crystal grains 10 are pressed, and the center axis of the rectangular parallelepiped becomes the rising axis of the C plane of the crystal grains 10. Then, the obtained pre-formed body 13
Is a state in which the crystal grains 10 are freely erected as shown in the enlarged view of FIG.

【0058】図9は、図5および図7に示した工程によ
ってプレ成形体の内部で起こる現象を概念的に示す模式
斜視図である。同図に示すように、半導体材料12中に
含まれた結晶粒10は、当初C面の向きがバラバラであ
るが、側面からの押圧によって強制的に起立し、C面が
一の軸、即ち、C面の起立軸に対して平行になる。
FIG. 9 is a schematic perspective view conceptually showing a phenomenon occurring inside the pre-molded article by the steps shown in FIGS. As shown in the figure, the crystal grains 10 contained in the semiconductor material 12 initially have different directions of the C-plane, but are forcibly erected by pressing from the side, and the C-plane is one axis, that is, one axis. , C are parallel to the upright axis.

【0059】このとき、結晶粒10は、C面の起立軸を
取り囲む方向から絞り込まれるように押圧されるため、
プレ成形体の結晶配向は、自由起立配向となる。従っ
て、このC面の起立軸を通電方向に設定すれば、電気抵
抗率ρの低い熱電半導体素子を製造することができる。
At this time, since the crystal grains 10 are pressed so as to be narrowed from the direction surrounding the upright axis of the C plane,
The crystal orientation of the pre-formed body is a free standing orientation. Therefore, if the upright axis of the C plane is set in the direction of conduction, a thermoelectric semiconductor element having a low electric resistivity ρ can be manufactured.

【0060】以上説明したように、本発明の第1の形態
によれば、層状構造化合物からなる半導体材料が多軸プ
レスされるため、該半導体材料中に自由起立配向を生じ
させることができる。その結果、電気抵抗率ρの低い熱
電半導体材料が得られ、熱電性能の向上が期待できる。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, since the semiconductor material composed of the layered structure compound is multiaxially pressed, free upright orientation can be generated in the semiconductor material. As a result, a thermoelectric semiconductor material having a low electric resistivity ρ is obtained, and improvement in thermoelectric performance can be expected.

【0061】また、この自由起立配向は、押し出し法に
よって生じる結晶配向に類似するため、本発明の第1の
形態によって製造したプレ成形体は、押し出し材料とし
て好適である。この点については、次の第2の形態で詳
細に述べる。
Since the free upright orientation is similar to the crystal orientation generated by the extrusion method, the pre-formed body manufactured by the first embodiment of the present invention is suitable as an extrusion material. This point will be described in detail in the following second embodiment.

【0062】(第2の形態)本発明の第2の形態は、配
向度の向上に有効な押し出し方法を提供する発明であ
る。尚、以下の説明では、前述した第1の形態に準ずる
構成要素については、同一の符号を用いてその説明を省
略する。
(Second Embodiment) The second embodiment of the present invention is to provide an extrusion method effective for improving the degree of orientation. Note that, in the following description, the same reference numerals are used for components corresponding to the above-described first embodiment, and description thereof is omitted.

【0063】図10は、本発明の第2の形態に係る円形
押し出し工程の実行状態を示す斜視図である。同図に示
すように、本発明の第2の形態では、C面が起立配向し
たプレ成形体13をダイス16から押し出して、プレ成
形体13がさらに圧縮された押し出し成形体14を形成
する。
FIG. 10 is a perspective view showing an execution state of the circular extrusion step according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, in the second embodiment of the present invention, the pre-formed body 13 with the C-plane upright oriented is extruded from a die 16 to form an extruded formed body 14 in which the pre-formed body 13 is further compressed.

【0064】ここで重要な点は、プレ成形体13のC面
の起立軸と該プレ成形体13の押し出し方向とを一致さ
せることである。これは、次の理由によるものである。
The important point here is that the upright axis on the C-plane of the pre-molded body 13 and the extrusion direction of the pre-molded body 13 match. This is for the following reason.

【0065】まず、押し出し法とは、A0の径で投入さ
れたプレ成形体13を一定の方向に押し出して、A1の
径に圧縮する方法である。この押し出される間に、プレ
成形体13中の結晶粒10は、ダイス16の側壁全周か
らの垂直抗力を受けて変形する。その結果、得られた押
し出し成形体14中の結晶粒10は、押し出し方向と平
行にC面が起立することになる。即ち、押し出し法で
は、押し出し方向がC面の起立軸になる。
First, the extrusion method is a method of extruding a pre-formed body 13 charged with a diameter of A0 in a certain direction and compressing the same into a diameter of A1. During this extrusion, the crystal grains 10 in the pre-formed body 13 are deformed by receiving a vertical drag from the entire periphery of the side wall of the die 16. As a result, the crystal grains 10 in the obtained extruded body 14 have the C-plane standing upright in the extrusion direction. That is, in the extrusion method, the extrusion direction is the upright axis of the C plane.

【0066】従って、プレ成形体13の結晶配向を揃
え、そのC面の起立軸と押し出し方向とを一致させれ
ば、プレ成形体13の結晶配向が押し出しによって一層
揃えられる方向に働くため、配向度がより向上する。本
発明では、起立配向を有するプレ成形体13がその起立
軸に沿って押し出されるため、優れた結晶配向を有する
押し出し成形体14が得られる。
Therefore, if the crystal orientation of the pre-molded body 13 is made uniform and the upright axis of the C-plane is made to coincide with the extrusion direction, the crystal orientation of the pre-molded body 13 acts in a direction more uniform by the extrusion. The degree is more improved. In the present invention, since the pre-formed body 13 having the upright orientation is extruded along the upright axis, an extruded body 14 having excellent crystal orientation is obtained.

【0067】ここで、図10中の拡大図1に示したよう
に、プレ成形体13の結晶配向が自由起立配向である場
合を考えてみる。即ち、このプレ成形体13は、前述し
た第1の形態によって形成されたものである。同拡大図
1に示すように、このプレ成形体13の段階では、まだ
完全な起立状態ではないが、ダイス16から押し出して
圧縮すると、同図中の拡大図2に示すように、より良好
な起立状態となる。即ち、この押し出しは、プレ成形体
13の結晶配向をより一層揃える方向に働くのである。
Here, let us consider a case where the crystal orientation of the pre-formed body 13 is a free standing orientation as shown in the enlarged view 1 of FIG. That is, the pre-formed body 13 is formed by the above-described first embodiment. As shown in the enlarged view of FIG. 1, at the stage of the pre-formed body 13, it is not in a completely upright state yet, but when it is extruded from the die 16 and compressed, as shown in the enlarged view 2 in the same figure, a more favorable state is obtained. It stands up. That is, the extrusion works in a direction to further align the crystal orientation of the pre-formed body 13.

【0068】逆に、プレ成形体13の結晶配向がランダ
ムである場合を考えてみると、このランダムな配向を起
立状態にするためには、膨大なエネルギーが必要になる
ため、押し出しのみでは、好適な起立配向を得られない
場合が多い。同様に、C面の起立軸と押し出し方向との
間に大きな角度差がある場合には、押し出しのみでは、
この角度差を十分に埋めることができないため、配向度
の向上はそれ程望めない。即ち、起立しきれない結晶粒
が残った状態で押し出し成形体14となるのである。こ
の点は、従来あまり認識されていなかった点である。
Conversely, considering the case where the crystal orientation of the pre-molded body 13 is random, an enormous amount of energy is required to bring this random orientation into an upright state. In many cases, a suitable upright orientation cannot be obtained. Similarly, when there is a large angle difference between the upright axis of the C plane and the extrusion direction, the extrusion only
Since this angle difference cannot be sufficiently filled, the degree of orientation cannot be improved much. That is, the extruded body 14 is formed in a state where the crystal grains that cannot stand up are left. This is a point that has not been recognized so far.

【0069】これは、例えば、次のような状態を考えて
みれば容易に理解できると思われる。つまり、C面が押
しだし方向に対して90°倒れた状態の結晶粒を想定し
てみると、この結晶粒は、押し出されてゆく過程におい
て、90°倒れた状態から叙々に立ち上がってゆき、C
面が押し出し方向と平行になる状態に向かうものと考え
られる。
This can be easily understood by considering the following state, for example. In other words, assuming a crystal grain in which the C plane is tilted 90 ° with respect to the pushing direction, this crystal grain gradually rises from the 90 ° tilted state in the process of being extruded.
It is considered that the surface tends to be parallel to the extrusion direction.

【0070】従って、C面の配向方向と押し出し方向と
の角度差が大きければ大きいほど、結晶粒の立ち上がり
に必要なエネルギーが大きくなるため、押し出し過程で
十分立ち上がれない結晶粒が残ることになる。
Therefore, the larger the angle difference between the orientation of the C-plane and the direction of extrusion, the greater the energy required for the crystal grains to rise, leaving crystal grains that cannot be sufficiently raised during the extrusion process.

【0071】そこで、本発明では、押し出しの出発材料
であるプレ成形体13の段階からある程度の配向度を持
たせておき、このプレ成形体13の配向方向と押し出し
方向とを一致させることで、結晶粒が立ち上がり易い状
態としている。従って、本発明の第2の形態で使用する
プレ成形体13は、前述の第1の形態によって得られた
配向性の高いものであることが好ましい。
Therefore, in the present invention, a certain degree of orientation is given from the stage of the pre-molded body 13 which is a starting material for extrusion, and the orientation direction of the pre-molded body 13 is made to coincide with the extrusion direction. It is in a state where crystal grains are easy to rise. Therefore, it is preferable that the pre-molded article 13 used in the second embodiment of the present invention has high orientation obtained by the above-described first embodiment.

【0072】図11は、本発明の第2の形態に係る矩形
押し出し工程の実行状態を示す斜視図である。同図に示
すように、プレ成形体13のC面の起立軸と押し出し方
向とを一致させる概念は、円柱形状のダイス16を用い
て円柱形状プレ成形体を押し出す場合に限られず、矩形
のダイス16を用いて矩形のプレ成形体13を押し出す
場合にも適用可能である。
FIG. 11 is a perspective view showing the state of execution of the rectangular extrusion step according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, the concept of making the upright axis of the C-plane of the pre-formed body 13 coincide with the extrusion direction is not limited to the case where the cylindrical pre-formed body is extruded using the cylindrical die 16, and the rectangular die is used. The present invention can also be applied to a case where a rectangular pre-formed body 13 is extruded using the 16.

【0073】この場合にも、同図中の拡大図1に示した
不完全な自由起立配向が、同図中の拡大図2に示すよう
に、好適な状態となる。尚、同図に示した矩形のダイス
16は、プレ成形体13をY軸方向に圧縮し、Z軸方向
に伸長した押し出し成形体14を形成するものである
が、図12に示すようなX軸およびY軸の両方向に圧縮
する形状のダイス16を用いてもよい。このとき、X軸
方向とY軸方向の圧縮比を同じ(即ち、A0/A1=B
0/B1)にしてもよい。
In this case, too, the incomplete free standing orientation shown in the enlarged view 1 in the figure is in a suitable state as shown in the enlarged view 2 in the figure. Incidentally, the rectangular die 16 shown in FIG. 12 compresses the pre-formed body 13 in the Y-axis direction to form an extruded body 14 extended in the Z-axis direction. A die 16 having a shape that compresses in both directions of the axis and the Y axis may be used. At this time, the compression ratios in the X-axis direction and the Y-axis direction are the same (that is, A0 / A1 = B
0 / B1).

【0074】図12は、本発明の第2の形態に係る積層
材料を用いた押し出し工程の実行状態を示す斜視図であ
る。同図に示すように、プレ成形体13としては、急冷
ロール法によって作製した薄状粉18を積層したものを
用いてもよい。この場合には、該薄状粉18の積層方向
と押し出し方向とを一致させて押し出しを行う。
FIG. 12 is a perspective view showing the state of execution of an extruding step using a laminated material according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, the pre-molded body 13 may be a laminate of thin powders 18 produced by a quenching roll method. In this case, the thin powder 18 is extruded while the laminating direction and the extruding direction are matched.

【0075】同図中の拡大図1に示すように、薄状粉1
8の結晶配向は、単にプレス成形したものに比べて好適
であり、薄状粉18を積層したプレ成形体13を用いれ
ば、その好適な結晶配向が維持された状態で押し出しが
行われる。その結果、同図中の拡大図2に示すように、
好適な自由起立配向を有する押し出し成形体14が得ら
れる。尚、同図に示した矩形ダイス16は、プレ成形体
13をX軸およびY軸の両方向に圧縮するものである
が、図11に示したようなY軸方向にのみ圧縮する形状
のダイス16を用いてもよい。
As shown in the enlarged view 1 of FIG.
The crystal orientation of 8 is more preferable than that obtained by simply press-molding. If the pre-molded body 13 on which the thin powder 18 is laminated is used, the extrusion is performed in a state where the preferable crystal orientation is maintained. As a result, as shown in the enlarged view 2 in FIG.
An extruded body 14 having a suitable free upright orientation is obtained. The rectangular die 16 shown in FIG. 11 compresses the pre-formed body 13 in both directions of the X-axis and the Y-axis. However, the die 16 has a shape which is compressed only in the Y-axis direction as shown in FIG. May be used.

【0076】図13は、一軸プレスによって形成したプ
レ成形体を押し出す工程を示す斜視図である。同図に示
すように、プレ成形体13としては、ホットプレスや冷
間プレス等の一軸プレスによって形成したものを用いて
もよい。一軸プレスによって形成したプレ成形体は、プ
レス方向と直交する方向がC面の起立軸となるため、こ
の起立軸と押し出し方向とを一致させれば、優れた結晶
配向を有する押し出し成形体14が得られる。
FIG. 13 is a perspective view showing a step of extruding a pre-formed body formed by a uniaxial press. As shown in the figure, as the pre-formed body 13, one formed by a uniaxial press such as a hot press or a cold press may be used. In the pre-formed body formed by the uniaxial press, since the direction perpendicular to the pressing direction is the upright axis of the C plane, if the upright axis and the extrusion direction match, the extruded body 14 having excellent crystal orientation can be obtained. can get.

【0077】ここで、前述した第1の形態によって形成
したプレ成形体13と異なる点は、第1の形態によって
形成したプレ成形体13は、自由起立配向を有するのに
対し、一軸プレスによって形成したプレ成形体13は、
同図中の拡大図1に示すように、一軸配向を有すること
である。
Here, the point different from the pre-formed body 13 formed according to the above-described first embodiment is that the pre-formed body 13 formed according to the first embodiment has a free standing orientation, but is formed by a uniaxial press. The pre-formed body 13
As shown in the enlarged view of FIG.

【0078】従って、この点に留意すれば、一軸プレス
によってC面がY軸方向に向いたプレ成形体13を用い
る場合には、該プレ成形体13をY軸方向にのみ圧縮す
るダイス16を用いることが好ましいと考えられる。こ
れは次のような理由によるものである。
Therefore, taking this point into consideration, when using the pre-formed body 13 whose C-plane is oriented in the Y-axis direction by uniaxial pressing, the die 16 for compressing the pre-formed body 13 only in the Y-axis direction is used. It is considered preferable to use them. This is due to the following reasons.

【0079】即ち、同拡大図1に示すようなC面がY軸
方向に向いた結晶粒10に対して、X軸方向から力が加
わると、C面がX軸方向に向く傾向が現れる。C面がX
軸方向に向いても起立状態としては何ら問題はないが、
押し出しによって結晶粒に与えられるエネルギーは有限
であるため、C面がX軸方向に向く動作に対してエネル
ギーが配分されると、その分、C面が起立する動作に対
するエネルギー配分が少なくなると考えられるからであ
る。
That is, when a force is applied from the X-axis direction to the crystal grain 10 having the C-plane oriented in the Y-axis direction as shown in the enlarged view of FIG. 1, the C-plane tends to be oriented in the X-axis direction. X on the C side
There is no problem as a standing state even if facing in the axial direction,
Since the energy given to the crystal grains by the extrusion is finite, it is considered that, when the energy is allocated to the operation in which the C plane faces in the X-axis direction, the energy allocation to the operation in which the C plane stands up is reduced accordingly. Because.

【0080】熱電性能を向上させるためには、C面を起
立させることが重要であり、一軸配向であるか自由起立
配向であるかはさほど問題ではない。従って、C面の起
立に寄与する方向にエネルギーを供給し、なるべく無駄
なエネルギー配分を生じさせないことが、配向度の向上
につながる。
In order to improve the thermoelectric performance, it is important to raise the C plane, and it does not matter whether the orientation is uniaxial or free upright. Therefore, supplying energy in a direction contributing to the erecting of the C-plane and preventing unnecessary energy distribution as much as possible leads to an improvement in the degree of orientation.

【0081】即ち、プレ成形体13のC面の起立軸と該
プレ成形体13の押し出し方向とを一致させるととも
に、該プレ成形体13のC面の向きと該プレ成形体13
が圧縮される方向とを一致させて、押し出しを行うこと
により、同図中の拡大図2に示すように、より好適に起
立した一軸配向が得られることになる。
That is, the upright axis of the C-plane of the pre-molded body 13 and the extrusion direction of the pre-molded body 13 are made to coincide with each other,
By performing the extrusion while matching the direction in which the is compressed, a more suitably erected uniaxial orientation can be obtained as shown in the enlarged view 2 in FIG.

【0082】以上説明したように、本発明の第2の形態
によれば、C面の起立軸に沿って押し出しが行われるた
め、配向度が高い押し出し成形体14を得ることができ
る。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, since the extrusion is performed along the upright axis of the C plane, an extruded body 14 having a high degree of orientation can be obtained.

【0083】[0083]

【実施例】(要約)ラバーチューブ42内に半導体材料
の粉末と溶媒とを充填し、上部カバー38と下部カバー
40で上下方向を封止した状態でラバーチューブ42の
両端を固定リング44で固定する。その後、このラバー
チューブ42をオイルバス46中に浸漬し、油圧を利用
して該ラバーチューブ42内の半導体材料を側面から均
等に押圧する(図19参照)。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Summary) A rubber tube 42 is filled with a semiconductor material powder and a solvent, and both ends of the rubber tube 42 are fixed with fixing rings 44 with the upper cover 38 and the lower cover 40 sealed in the vertical direction. I do. Thereafter, the rubber tube 42 is immersed in an oil bath 46, and the semiconductor material in the rubber tube 42 is evenly pressed from the side using hydraulic pressure (see FIG. 19).

【0084】(好適な実施例)「一の軸に対して直交す
る少なくとも3つの方向から押圧する」という思想と、
「プレ成形体の結晶配向と押し出し方向とを一致させ
る」という前述した技術思想は、熱電性能を向上させる
上で非常に有用な考え方である。ここでは、この特徴あ
る技術思想を産業上好ましいと思われる態様で具現化し
た例を示す。尚、前述した構成要素のうち、特に説明を
加える必要がないと思われるものについては、同一名称
および同一符号を付してその詳細な説明を省略する。ま
た、以下に示す実施例は、本発明の一具現化例であり、
本発明を限定するものではない。
(Preferred Embodiment) The idea of "pressing in at least three directions perpendicular to one axis"
The above-described technical idea of “matching the crystal orientation of the pre-molded product with the extrusion direction” is a very useful idea for improving thermoelectric performance. Here, an example is shown in which this characteristic technical idea is embodied in a mode considered to be industrially preferable. Among the components described above, those that do not need to be particularly described are given the same names and the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Further, the embodiment described below is an embodiment of the present invention,
It does not limit the invention.

【0085】図14は、本実施例に係る熱電モジュール
の製造プロセスを示す工程図である。以下、同図に基づ
いて、この製造プロセスの構成を説明する。
FIG. 14 is a process chart showing a manufacturing process of the thermoelectric module according to the present embodiment. Hereinafter, the configuration of this manufacturing process will be described with reference to FIG.

【0086】まず、同図に示すように、半導体材料の原
料となるビスマス(Bi)、テルル(Te)、セレン
(Se)およびアンチモン(Sb)並びにドーパントと
して使用する不純物を秤量し(ステップS10)、これ
らをルツボ30内に投入する。
First, as shown in the figure, bismuth (Bi), tellurium (Te), selenium (Se) and antimony (Sb), which are raw materials of a semiconductor material, and impurities used as dopants are weighed (step S10). These are put into the crucible 30.

【0087】次に、上記原料が投入されたルツボ30を
加熱して、該原料を溶融し、原料溶融液である溶湯を作
製する(ステップS12)。
Next, the crucible 30 into which the above-mentioned raw material has been charged is heated to melt the raw material, thereby producing a molten metal as a raw material melt (step S12).

【0088】続いて、上記ルツボ30内の溶湯を利用し
て、球状粉20若しくは薄状粉18を、また、溶融液を
凝固した後粉砕して得た粉砕粉22またはこれらの組み
合わせからなる粉末材料を作製する(ステップS1
4)。以下、球状粉20、粉砕粉22および薄状粉18
の作製方法をそれぞれ別個に説明する。
Subsequently, the spherical powder 20 or the thin powder 18 is formed by using the molten metal in the crucible 30, the pulverized powder 22 obtained by coagulating the molten liquid and then pulverized, or a powder comprising a combination thereof. Prepare a material (Step S1)
4). Hereinafter, the spherical powder 20, the pulverized powder 22, and the thin powder 18
Will be described separately.

【0089】図15は、球状粉20を作製する方法を示
す斜視図である。同図に示すように、球状粉20を作製
する場合には、ルツボ30内の溶湯を高速で回転する回
転ディスク26上に滴下して、該溶湯を遠心力によって
飛散させ、急速に凝固させる。その結果、微細な粒径を
有する球状粉20が得られる。その後、得られた球状粉
20を分級して粒径を揃え、これをプレ成形体の材料と
する。
FIG. 15 is a perspective view showing a method for producing the spherical powder 20. As shown in the figure, when producing the spherical powder 20, the molten metal in the crucible 30 is dropped on a rotating disk 26 rotating at high speed, and the molten metal is scattered by centrifugal force to be rapidly solidified. As a result, a spherical powder 20 having a fine particle size is obtained. Then, the obtained spherical powder 20 is classified and the particle diameters are made uniform, and this is used as the material of the pre-molded body.

【0090】図16は、粉砕粉22を作製する方法を示
す工程図である。同図に示すように、粉砕粉22を作製
する場合には、ルツボ30内の溶湯を凝固させてインゴ
ット32を作製し、これをミル34内に投入して粉砕す
る(ステップS100)。
FIG. 16 is a process chart showing a method for producing the pulverized powder 22. As shown in the figure, when producing the pulverized powder 22, the molten metal in the crucible 30 is solidified to produce an ingot 32, which is put into a mill 34 and pulverized (step S100).

【0091】そして、ミル34から排出された粉末原料
をフィルタ36にかけて分級し、34〜108μm程度
の粉末に整粒する(ステップS102)。
Then, the powder raw material discharged from the mill 34 is classified by passing through a filter 36 and sized to a powder of about 34 to 108 μm (step S102).

【0092】その後、上記整粒後の粉末を真空排気下で
ガラスアンプル内に投入し、該ガラスアンプル内に水素
を注入して該ガラスアンプル内の圧力を0.9気圧に設
定する。そして、このガラスアンプルを加熱炉内に設置
し、350℃で10時間加熱して、粉末の水素還元を行
う(ステップS104)。
Then, the sized powder is put into a glass ampule under vacuum evacuation, and hydrogen is injected into the glass ampule to set the pressure in the glass ampule to 0.9 atm. Then, this glass ampule is placed in a heating furnace and heated at 350 ° C. for 10 hours to perform hydrogen reduction of the powder (Step S104).

【0093】こうして得られた粉砕粉22をプレ成形体
の材料とする。
The pulverized powder 22 thus obtained is used as a material for the pre-molded body.

【0094】図17は、薄状粉18の作製方法を示す部
分断面図である。同図に示すように、薄状粉18を作製
する場合には、ルツボ30内の溶湯をノズル27に供給
し、これを回転する冷却ロール28の表面に滴下して、
サブミクロンクラスの結晶粒を有する薄状粉18を急冷
ロール法によって製造する。薄状粉18を積層したもの
をプレ成形体として使用する場合には、冷却ロール28
の表面に形成され、剥離して得られた薄状粉18を膜厚
方向に複数積層して積層体29を形成する。
FIG. 17 is a partial cross-sectional view showing a method for producing the thin powder 18. As shown in the figure, when producing the thin powder 18, the molten metal in the crucible 30 is supplied to the nozzle 27, and the molten metal is dropped on the surface of the rotating cooling roll 28.
A thin powder 18 having submicron class crystal grains is produced by a quenching roll method. When a laminate of the thin powders 18 is used as a pre-molded body, the cooling roll 28
A plurality of thin powders 18 formed on the surface and obtained by peeling are laminated in the thickness direction to form a laminate 29.

【0095】以上のようにして作製した球状粉20、粉
砕粉22若しくは薄状粉18またはこれらの組み合わせ
を、以下に示す手順で押圧し、プレ成形体13を形成す
る(図14のステップS16)。
The preform 13 is formed by pressing the spherical powder 20, the pulverized powder 22, the thin powder 18 or a combination thereof produced as described above in the following procedure (step S16 in FIG. 14). .

【0096】図18は、図14に示したプレ成形体形成
工程の第1の手順を示す斜視図である。プレ成形体13
の形成は、同図に示すように、まず、下端が下部カバー
40で封止されたラバーチューブ42内に水素還元後の
粉末を充填する。このとき潤滑剤として機能する揮発性
の溶媒を混入しておく。そして、ラバーチューブ42の
上端を上部カバー38で封止し、該ラバーチューブ42
の下端および上端の双方を固定リングでシールする。こ
の上部カバー38と下部カバー40は、いずれも剛体で
形成されており、粉末の上下方向の動きを拘束する。
FIG. 18 is a perspective view showing a first procedure of the pre-formed body forming step shown in FIG. Pre-molded body 13
As shown in the figure, first, a powder after hydrogen reduction is filled in a rubber tube 42 whose lower end is sealed with a lower cover 40. At this time, a volatile solvent functioning as a lubricant is mixed. Then, the upper end of the rubber tube 42 is sealed with the upper cover 38, and the rubber tube 42 is closed.
Seal both the lower end and the upper end with a fixing ring. Both the upper cover 38 and the lower cover 40 are formed of a rigid body, and restrain the vertical movement of the powder.

【0097】図19は、図14に示したプレ成形体形成
工程の第2の手順を示す斜視図である。同図に示すよう
に、球状粉20、粉砕粉22若しくは薄状粉18または
これらの組み合わせからなる粉末をラバーチューブ42
に充填した後、該ラバーチューブ42の上端を固定リン
グ44でシールして、オイルバス46内に投入する。
FIG. 19 is a perspective view showing a second procedure of the preformed body forming step shown in FIG. As shown in the figure, the powder composed of the spherical powder 20, the pulverized powder 22, the thin powder 18, or a combination thereof is placed in a rubber tube 42.
After that, the upper end of the rubber tube 42 is sealed with a fixing ring 44, and the rubber tube 42 is put into an oil bath 46.

【0098】図20は、図14に示したプレ成形体形成
工程の第3の手順を示す斜視図である。同図に示すよう
に、ラバーチューブ42をオイルバス46に投入した
後、パンチ48を用いて、オイルバス46中のオイルを
押圧する。その結果、ラバーチューブ42の側面が油圧
によって変形し、該ラバーチューブ42内の粉末が圧縮
される。このとき、該粉末とともにラバーチューブ42
内に混入した溶媒が潤滑剤となって、粉末同士の動きを
滑らかにし、C面を円滑に配向させる。
FIG. 20 is a perspective view showing a third procedure of the preformed body forming step shown in FIG. As shown in the figure, after the rubber tube 42 is put into the oil bath 46, the oil in the oil bath 46 is pressed using the punch 48. As a result, the side surface of the rubber tube 42 is deformed by the hydraulic pressure, and the powder in the rubber tube 42 is compressed. At this time, the rubber tube 42 together with the powder is used.
The solvent mixed therein serves as a lubricant, smoothes the movement of the powders, and orients the C plane smoothly.

【0099】その後、ラバーチューブ42から圧縮され
た粉末を取り出し、該粉末内に含まれた溶媒を蒸発させ
て、これをプレ成形体13とする。その後、図10乃至
図12に示したような円柱または矩形のダイス16を用
いて、プレ成形体13の押し出しを行い、押し出し成形
体14を形成する(図14のステップS18)。
After that, the compressed powder is taken out from the rubber tube 42, and the solvent contained in the powder is evaporated to obtain a pre-molded body 13. Thereafter, the pre-formed body 13 is extruded by using a cylindrical or rectangular die 16 as shown in FIGS. 10 to 12, thereby forming an extruded body 14 (Step S18 in FIG. 14).

【0100】その後、得られた押し出し成形体14を所
望の形状にカッティングして、P型およびN型の熱電半
導体素子15を形成し(ステップS20)、その後、こ
の熱電半導体素子15を用いて熱電モジュール100を
組み立てる(ステップS22)。
Thereafter, the obtained extruded body 14 is cut into a desired shape to form P-type and N-type thermoelectric semiconductor elements 15 (step S20). The module 100 is assembled (Step S22).

【0101】図21は、図14に示すプロセスによって
製造された熱電モジュール100の構造を示す斜視図で
ある。同図に示すように、熱電モジュール100は、P
型熱電半導体素子15−1およびN型熱電半導体素子1
5−2の上面および下面に一対の電極50が固着されて
製造される。
FIG. 21 is a perspective view showing the structure of the thermoelectric module 100 manufactured by the process shown in FIG. As shown in FIG.
-Type thermoelectric semiconductor element 15-1 and N-type thermoelectric semiconductor element 1
A pair of electrodes 50 are fixed to the upper and lower surfaces of 5-2 and manufactured.

【0102】このとき、上記電極50は、P型熱電半導
体素子15−1およびN型熱電半導体素子15−2のC
面の起立軸によって貫かれる位置に配設される。このよ
うな電極50の配置により、該電極50を介して供給さ
れた電流は、C面の起立軸と平行な方向、即ち、電気抵
抗率ρの低い方向に流れることになる。
At this time, the electrode 50 is connected to the C-type of the P-type thermoelectric semiconductor element 15-1 and the N-type thermoelectric semiconductor element 15-2.
It is disposed at a position penetrated by the upright axis of the surface. With such an arrangement of the electrodes 50, the current supplied via the electrodes 50 flows in a direction parallel to the rising axis of the C plane, that is, in a direction in which the electric resistivity ρ is low.

【0103】上記実施例では、球状粉20、粉砕粉22
若しくは薄状粉18またはこれらの組み合わせからなる
粉末をプレ成形体13の材料としたが、球状粉20を用
いてプレ成形体を形成することが好ましい。これは、球
状粉20の形状によるものと考えられる。
In the above embodiment, the spherical powder 20 and the pulverized powder 22
Alternatively, the powder made of the thin powder 18 or a combination thereof is used as the material of the pre-molded body 13, but it is preferable to form the pre-molded body using the spherical powder 20. This is considered to be due to the shape of the spherical powder 20.

【0104】即ち、球状粉20は、微小な球形を有する
粉末であるため、押圧下でも動きやすいという性質を有
する。従って、球状粉20をプレスすると、まず、該球
状粉20が隙間なく詰まった密度の高い状態となる。そ
して、この密度の高い状態から押圧されて、結晶粒の破
壊と再結晶が繰り返されるため、微細で配向度の高い結
晶粒からなるプレ成形体が得られるものと考える。球状
粉20についてさらに詳細に説明すると次のようにな
る。
That is, since the spherical powder 20 is a powder having a minute spherical shape, it has a property that it can easily move even under pressure. Therefore, when the spherical powder 20 is pressed, first, the spherical powder 20 is in a high-density state without any gaps. Then, it is considered that a pre-formed body composed of fine crystal grains having a high degree of orientation can be obtained because the crystal grains are repeatedly destructed and recrystallized by being pressed from the high density state. The spherical powder 20 will be described in more detail as follows.

【0105】球状粉20は、粉末生成工程でのコンタミ
ネーションの混入はなく、清浄で球形で比表面積が小さ
な粉末であるので、焼結性に優れ、粒径が小さな粉末で
あっても容易に焼結体あるいは、冷間圧粉体が作製でき
る。しかも、粉末自身が急冷凝固されて作られているの
で、微細な組織を有する。よって、それら予備成形体の
結晶組成は、微細な結晶粒となっている。
The spherical powder 20 is clean, spherical and has a small specific surface area without contamination in the powder generation step, and therefore has excellent sinterability and can be easily used even if the powder has a small particle size. A sintered body or a cold compact can be produced. Moreover, since the powder itself is rapidly solidified, it has a fine structure. Therefore, the crystal composition of these preforms is fine crystal grains.

【0106】また、粉末内の偏析もなく粒度分布が狭い
ため、予備成形体を塑性加工する際には均一な変形が行
われることになり、均質な成形品が得られる。また、球
状粉末であるため、粉末同志は点接触する。よって、焼
結および塑性加工の工程で、その接触点では応力集中が
起き、そこで発生するドライビングフォースによる破壊
と結晶配向(回転)が強く起き、高性能な素子が成形さ
れる。
Further, since there is no segregation in the powder and the particle size distribution is narrow, uniform deformation is performed when the preform is subjected to plastic working, and a uniform molded product can be obtained. Further, since the powder is spherical, the powders make point contact with each other. Therefore, in the sintering and plastic working processes, stress concentration occurs at the contact points, and the driving force generated there causes strong destruction and crystal orientation (rotation), thereby forming a high-performance element.

【0107】そこで、回転ディスク法によって作製した
球状粉を用いてN型およびP型の焼結体を形成し、その
熱電性能を測定したので、その測定方法および結果を以
下に示す。
Then, N-type and P-type sintered bodies were formed using the spherical powder produced by the rotating disk method, and the thermoelectric performance was measured. The measuring method and the results are shown below.

【0108】(実験1)BiTe2.7Se0.3
0.08wt%のHgBrを混合して、回転ディスク
法により、10μmおよび50μmのN型球状粉を作製
する。その後、冷間プレスおよびホットプレスによっ
て、この球状粉からプレ成形体を形成する。そして、押
し出し比6の矩形ダイスを用いて、このプレ成形体を押
し出し、押し出し成形体を形成する。このときの押し出
し温度は、480℃および350℃とし、押し出し速度
は、0.5mm/minおよび2.5mm/minとす
る。この実験の結果は、以下のようになった。
(Experiment 1) 0.08 wt% of HgBr 3 was mixed with Bi 2 Te 2.7 Se 0.3 , and N-type spherical powders of 10 μm and 50 μm were prepared by a rotating disk method. Thereafter, a pre-compact is formed from the spherical powder by cold pressing and hot pressing. Then, using a rectangular die having an extrusion ratio of 6, the pre-molded body is extruded to form an extruded body. The extrusion temperature at this time is 480 ° C. and 350 ° C., and the extrusion speed is 0.5 mm / min and 2.5 mm / min. The results of this experiment were as follows.

【0109】 上記表1に見られるように、性能指数の高いN型の熱電
半導体素子が得られた。
[0109] As can be seen from Table 1, an N-type thermoelectric semiconductor element having a high figure of merit was obtained.

【0110】(実験2)Bi1.5Sb0.5Te
溶湯を作製し、回転ディスク法により、10μmおよび
50μmのP型球状粉を作製する。その後、冷間プレス
およびホットプレスによって、この球状粉からプレ成形
体を形成する。そして、押し出し比6の矩形ダイスを用
いて、このプレ成形体を押し出し、押し出し成形体を形
成する。このときの押し出し温度は、480℃および3
50℃とし、押し出し速度は、0.5mm/minおよ
び2.5mm/minとする。この実験の結果は、以下
のようになった。
(Experiment 2) A melt of Bi 1.5 Sb 0.5 Te 3 is prepared, and P-type spherical powders of 10 μm and 50 μm are prepared by a rotating disk method. Thereafter, a pre-compact is formed from the spherical powder by cold pressing and hot pressing. Then, using a rectangular die having an extrusion ratio of 6, the pre-molded body is extruded to form an extruded body. The extrusion temperature at this time was 480 ° C and 3
The extrusion speed is set to 0.5 mm / min and 2.5 mm / min. The results of this experiment were as follows.

【0111】 上記表2に見られるように、性能指数の高いP型の熱電
半導体素子が得られた。また、押し出し成形品に対し
て、後処理として押し出し温度よりも0〜100℃位の
低い温度でのアニール処理を組み合わせることで、さら
に性能指数を上げることも可能である。
[0111] As seen from Table 2, a P-type thermoelectric semiconductor element having a high figure of merit was obtained. Further, by combining an extruded product with an annealing process at a temperature lower by about 0 to 100 ° C. than the extrusion temperature as a post-process, it is possible to further increase the figure of merit.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】層状構造化合物の結晶構造を示す模式斜視図で
ある。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a crystal structure of a layered structure compound.

【図2】層状構造化合物の多結晶の構造を示す模式斜視
図である。
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a polycrystalline structure of a layered structure compound.

【図3】一軸プレスによる結晶粒の配向傾向を示す模式
斜視図である。
FIG. 3 is a schematic perspective view showing the tendency of crystal grains to be oriented by uniaxial pressing.

【図4】自由起立配向した結晶粒の状態を示す模式斜視
図である。
FIG. 4 is a schematic perspective view showing a state of a crystal grain in a free standing orientation.

【図5】円形のプレ成形体を形成する工程の実行状態を
示す模式斜視図である。
FIG. 5 is a schematic perspective view showing an execution state of a step of forming a circular pre-formed body.

【図6】図5に示した工程によって得られたプレ成形体
の配向状態を示す模式図である。
FIG. 6 is a schematic view showing an orientation state of a pre-molded article obtained by the process shown in FIG.

【図7】矩形のプレ成形体を形成する工程の実行状態を
示す模式斜視図である。
FIG. 7 is a schematic perspective view showing an execution state of a step of forming a rectangular pre-formed body.

【図8】図7に示した工程によって得られたプレ成形体
の配向状態を示す模式図である。
FIG. 8 is a schematic view showing an orientation state of a pre-molded article obtained by the process shown in FIG.

【図9】図5および図7に示した工程によってプレ成形
体の内部で起こる現象を概念的に示す模式斜視図であ
る。
FIG. 9 is a schematic perspective view conceptually showing a phenomenon occurring inside the pre-molded article by the steps shown in FIGS. 5 and 7.

【図10】本発明の第2の形態に係る円形押し出し工程
の実行状態を示す斜視図である。
FIG. 10 is a perspective view showing an execution state of a circular extrusion step according to a second embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第2の形態に係る矩形押し出し工程
の実行状態を示す斜視図である。
FIG. 11 is a perspective view showing an execution state of a rectangular extrusion step according to a second embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第2の形態に係る積層材料を用いた
押し出し工程の実行状態を示す斜視図である。
FIG. 12 is a perspective view illustrating an execution state of an extrusion process using a laminated material according to a second embodiment of the present invention.

【図13】一軸プレスによって形成したプレ成形体を押
し出す工程を示す斜視図である。
FIG. 13 is a perspective view showing a step of extruding a pre-formed body formed by a uniaxial press.

【図14】本実施例に係る熱電モジュールの製造プロセ
スを示す工程図である。
FIG. 14 is a process chart illustrating a manufacturing process of the thermoelectric module according to the present embodiment.

【図15】球状粉20を作製する方法を示す斜視図であ
る。
FIG. 15 is a perspective view showing a method for producing the spherical powder 20.

【図16】粉砕粉22を作製する方法を示す工程図であ
る。
FIG. 16 is a process chart showing a method for producing a pulverized powder 22.

【図17】薄状粉18の作製方法を示す部分断面図であ
る。
FIG. 17 is a partial cross-sectional view showing a method for producing the thin powder 18.

【図18】図14に示したプレ成形体形成工程の第1の
手順を示す斜視図である。
FIG. 18 is a perspective view showing a first procedure of a pre-formed body forming step shown in FIG.

【図19】図14に示したプレ成形体形成工程の第2の
手順を示す斜視図である。
FIG. 19 is a perspective view showing a second procedure of the pre-formed body forming step shown in FIG.

【図20】図14に示したプレ成形体形成工程の第3の
手順を示す斜視図である。
20 is a perspective view showing a third procedure of the pre-molded article forming step shown in FIG.

【図21】図14に示すプロセスによって製造された熱
電モジュール100の構造を示す斜視図である。
FIG. 21 is a perspective view showing the structure of a thermoelectric module 100 manufactured by the process shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…結晶粒、12…半導体材料、13…プレ成形体、
14…押し出し成形体、15…熱電半導体素子、15−
1…P型熱電半導体素子、15−2…N型熱電半導体素
子、16…ダイス、18…薄状粉、20…球状粉、22
…粉砕粉、24…材料外縁、26…回転ディスク、27
…ノズル、28…冷却ロール、29…積層体、30…ル
ツボ、32…インゴット、34…ミル、36…フィル
タ、38…上部カバー、40…下部カバー、42…ラバ
ーチューブ、44…固定リング、46…オイルバス、4
8…パンチ、50…電極、100…熱電モジュール、P
…押圧方向
10: crystal grains, 12: semiconductor material, 13: pre-formed body,
14: Extruded body, 15: Thermoelectric semiconductor element, 15-
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... P-type thermoelectric semiconductor element, 15-2 ... N-type thermoelectric semiconductor element, 16 ... dice, 18 ... thin powder, 20 ... spherical powder, 22
... ground powder, 24 ... material outer edge, 26 ... rotating disk, 27
... Nozzle, 28 ... Cooling roll, 29 ... Laminate, 30 ... Crucible, 32 ... Ingot, 34 ... Mill, 36 ... Filter, 38 ... Top cover, 40 ... Bottom cover, 42 ... Rubber tube, 44 ... Fixing ring, 46 … Oil bath, 4
8 punch, 50 electrode, 100 thermoelectric module, P
… Pressing direction

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 喜代治 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内 (72)発明者 池田 圭介 宮城県仙台市泉区鶴ヶ丘1−20−98 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Kiyoharu Sasaki 1200 Manda, Hiratsuka-shi, Kanagawa Prefecture Inside Komatsu Manufacturing Co., Ltd. (72) Inventor Keisuke Ikeda 1-20-98 Tsurugaoka, Izumi-ku, Sendai, Miyagi

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 層状構造化合物の結晶粒(10)を含む
半導体材料(12)を押圧して熱電半導体材料または素
子を製造する方法において、 前記押圧は、 一の軸に対して直交する少なくとも3つの方向から行う
ことを特徴とする熱電半導体材料または素子の製造方
法。
1. A method for manufacturing a thermoelectric semiconductor material or device by pressing a semiconductor material (12) containing crystal grains (10) of a layered structure compound, wherein the pressing comprises at least three orthogonal to one axis. A method for manufacturing a thermoelectric semiconductor material or element, wherein the method is performed from two directions.
【請求項2】 前記押圧は、 前記半導体材料の材料外縁(24)の全ての側面に対し
て同時に行うことを特徴とする請求項1記載の熱電半導
体材料または素子の製造方法。
2. The method for manufacturing a thermoelectric semiconductor material or device according to claim 1, wherein the pressing is performed simultaneously on all side surfaces of the outer edge of the material of the semiconductor material.
【請求項3】 前記押圧は、 前記結晶粒の自由起立配向を生じさせることを特徴とす
る請求項1または請求項2記載の熱電半導体材料または
素子の製造方法。
3. The method of manufacturing a thermoelectric semiconductor material or device according to claim 1, wherein the pressing causes free standing orientation of the crystal grains.
【請求項4】 前記半導体材料は、 急冷凝固法によって作製した球状粉(20)であること
を特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の
熱電半導体材料または素子の製造方法。
4. The method for producing a thermoelectric semiconductor material or a device according to claim 1, wherein the semiconductor material is a spherical powder (20) produced by a rapid solidification method.
【請求項5】 層状構造化合物の結晶粒(10)を含む
半導体材料(12)の一の軸に沿った動きを拘束する工
程と、 前記動きを拘束した状態で前記一の軸に対して直交する
少なくとも3つの方向から前記半導体材料を押圧する工
程とを具備する熱電半導体材料または素子の製造方法。
5. A step of restraining movement along one axis of the semiconductor material (12) including the crystal grains (10) of the layer structure compound, and orthogonal to the one axis while the movement is restrained. Pressing the semiconductor material from at least three directions to produce the thermoelectric semiconductor material or element.
【請求項6】 一の軸に対して直交する少なくとも3つ
の方向から、層状構造化合物の結晶粒(10)を含む半
導体材料(12)を押圧して、P型およびN型の熱電半
導体素子を形成する工程と、 前記P型およびN型の熱電半導体素子の上面および下面
に、前記一の軸上に位置する一対の電極(50)を形成
する工程とを具備する熱電モジュールの製造方法。
6. A semiconductor material (12) containing crystal grains (10) of a layered structure compound is pressed from at least three directions orthogonal to one axis to form P-type and N-type thermoelectric semiconductor elements. A method for manufacturing a thermoelectric module, comprising: forming; and forming, on the upper and lower surfaces of the P-type and N-type thermoelectric semiconductor elements, a pair of electrodes (50) located on the one axis.
【請求項7】 層状構造化合物の結晶粒(10)を含む
プレ成形体(13)をダイス(16)から押し出して、
熱電半導体材料または素子を製造する方法において、 前記プレ成形体は、 一の軸に沿ってC面が起立配向した結晶粒を複数有し、 前記押し出しは、 前記プレ成形体の前記一の軸と該プレ成形体の押し出し
方向とを一致させて行うことを特徴とすることを特徴と
する熱電半導体材料または素子の製造方法。
7. A preform (13) containing crystal grains (10) of a layered structure compound is extruded from a die (16),
In the method of manufacturing a thermoelectric semiconductor material or an element, the pre-formed body has a plurality of crystal grains in which a C-plane is oriented upright along one axis, and the extrusion is performed with the one axis of the pre-formed body. A method for producing a thermoelectric semiconductor material or element, wherein the extrusion is performed in the same direction as the extrusion direction of the pre-molded body.
【請求項8】 層状構造化合物の結晶粒(10)を含む
プレ成形体(13)をダイス(16)から押し出して、
熱電半導体材料または素子を製造する方法において、 前記プレ成形体は、 一の軸に沿ってC面が起立配向し、かつ、該C面が該一
の軸と直交する他の軸に対して向いた結晶粒を複数有
し、 前記押し出しは、 前記プレ成形体の前記一の軸と該プレ成形体の押し出し
方向とを一致させるとともに、該プレ成形体の前記他の
軸と平行な方向に圧力をかけて行うことを特徴とするこ
とを特徴とする熱電半導体材料または素子の製造方法。
8. A preform (13) containing crystal grains (10) of a layered structure compound is extruded from a die (16),
In the method for producing a thermoelectric semiconductor material or a device, the pre-molded product may be configured such that a C plane is oriented upright along one axis, and the C plane is oriented with respect to another axis orthogonal to the one axis. Having a plurality of crystal grains, wherein the extruding is performed by aligning the one axis of the pre-molded body with the extrusion direction of the pre-molded body, and applying a pressure in a direction parallel to the other axis of the pre-molded body. A method for producing a thermoelectric semiconductor material or device.
【請求項9】 前記プレ成形体は、 前記一の軸に対して直交する少なくとも3つの方向から
該プレ成形体を押圧して形成することを特徴とする請求
項7または請求項8記載の熱電半導体材料または素子の
製造方法。
9. The thermoelectric device according to claim 7, wherein the pre-formed body is formed by pressing the pre-formed body from at least three directions orthogonal to the one axis. A method for manufacturing a semiconductor material or device.
【請求項10】 前記プレ成形体は、 急冷ロール法によって作製した薄状粉(18)を積層し
て形成し、 前記押し出しは、 前記薄状粉の積層軸と前記押し出し方向とを一致させて
行うことを特徴とする請求項7または請求項8記載の熱
電半導体材料または素子の製造方法。
10. The pre-molded body is formed by laminating thin powders (18) produced by a quenching roll method, and the extruding is performed by matching a laminating axis of the thin powders with the extrusion direction. 9. The method for producing a thermoelectric semiconductor material or device according to claim 7, wherein the method is performed.
【請求項11】 前記プレ成形体は、 急冷凝固法によって作製した球状粉(20)を押圧して
形成されることを特徴とする請求項7乃至請求項10の
いずれかに記載の熱電半導体材料または素子の製造方
法。
11. The thermoelectric semiconductor material according to claim 7, wherein the pre-formed body is formed by pressing a spherical powder (20) produced by a rapid solidification method. Or a method for manufacturing an element.
【請求項12】 層状構造化合物の結晶粒(10)を含
む半導体材料(12)の一の軸に沿った動きを拘束する
工程と、 前記動きを拘束した状態で前記一の軸に対して直交する
少なくとも3つの方向から前記半導体材料を押圧してプ
レ成形体を形成する工程と、 前記プレ成形体をダイス(16)に投入し、前記一の軸
に沿って押し出す工程とを具備する熱電半導体材料また
は素子の製造方法。
12. A step of constraining movement along one axis of the semiconductor material (12) including the crystal grains (10) of the layered structure compound, and orthogonal to the one axis with the movement constrained. A thermoelectric semiconductor comprising: pressing the semiconductor material from at least three directions to form a pre-molded body; and pouring the pre-molded body into a die (16) and extruding the same along the one axis. Method of manufacturing a material or element.
【請求項13】 一の軸に対して直交する少なくとも3
つの方向から、層状構造化合物の結晶粒(10)を含む
半導体材料(12)を押圧してプレ成形体を形成する工
程と、 前記プレ成形体をダイス(16)に投入し、前記一の軸
に沿って押し出す工程して、P型およびN型の熱電半導
体素子を形成する工程と、 前記P型およびN型の熱電半導体素子の上面および下面
に、前記一の軸上に位置する一対の電極(50)を形成
する工程とを具備する熱電モジュールの製造方法。
13. At least 3 orthogonal to one axis
Pressing a semiconductor material (12) containing crystal grains (10) of a layered structure compound from two directions to form a pre-molded body; and charging the pre-molded body into a die (16), Extruding along to form P-type and N-type thermoelectric semiconductor elements; and a pair of electrodes located on the one axis on the upper and lower surfaces of the P-type and N-type thermoelectric semiconductor elements. Forming a thermoelectric module, the method comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018516457A (en) * 2015-04-14 2018-06-21 エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド Thermoelectric material, thermoelectric element and thermoelectric module including the same

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