JP2009289911A - Method of manufacturing thermoelectric semiconductor material - Google Patents

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Nobuyuki Kobayashi
伸行 小林
Tsutomu Nanataki
七瀧  努
Akira Urakawa
明 浦川
Shohei Yokoyama
昌平 横山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a thermoelectric semiconductor material by which the thermoelectric semiconductor material with high performance is obtained in high yield. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the thermoelectric semiconductor material includes: a plate-shaped pulverized particle producing process S1 of obtaining plate-shaped pulverized particles each having a specified crystal surface of a raw material on a surface; a slurry preparing process S2 of preparing slurry containing ≥30% by volume of plate-shaped pulverized particles by mixing the obtained pulverized particles, a binder, and a dispersion medium; a molding process S3 of molding the obtained slurry into a tape shape to obtain a molding; a degreasing process S4 of heat-treating the obtained molding in an inert atmosphere to obtain a degreased body; a reducing process S5 of subjecting the obtained degreased body to a reduction treatment to obtain a decreased reduced body; a sintering process S6 of sintering the obtained degreased reduced body to obtain a sintered body; and a cutting process S7 of cutting the obtained sintered body to obtain the thermoelectric semiconductor material. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、熱電半導体材料の製造方法に関する。更に詳しくは、性能の高い熱電半導体材料を高い歩留りで得ることが可能な熱電半導体材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a thermoelectric semiconductor material. More specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric semiconductor material capable of obtaining a high performance thermoelectric semiconductor material with a high yield.

熱電半導体材料は、熱から直接電力を発生させたり、熱電半導体自身に電流を流すことで冷却を行うことが可能な材料である。この熱電半導体材料は、構造が簡単で小型化及び軽量化が容易であり、更に、無音及び無振動で動作し、メンテナンスが不要であることから、特殊な用途向けの小型冷蔵庫、半導体レーザ等の半導体装置内部の温度調節器及び発電装置等、様々な分野への適用が検討されている。   The thermoelectric semiconductor material is a material that can be cooled by generating electric power directly from heat or by passing a current through the thermoelectric semiconductor itself. This thermoelectric semiconductor material has a simple structure, is easy to reduce in size and weight, operates silently and without vibration, and does not require maintenance. Application to various fields such as a temperature controller and a power generation device inside a semiconductor device is being studied.

このような熱電半導体材料としては、例えば、テルル化ビスマスを配向させた焼結材を挙げることができる。このような熱電半導体材料に用いられるテルル化ビスマスの配向プロセスとしては、例えば、テルル化ビスマスを焼結させた後に、熱間すえこみ鍛造による熱間塑性加工が提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。   An example of such a thermoelectric semiconductor material is a sintered material in which bismuth telluride is oriented. As an orientation process of bismuth telluride used for such a thermoelectric semiconductor material, for example, hot plastic working by hot upset forging after sintering bismuth telluride has been proposed (for example, patent document). 1 and 2).

また、板状の原料粉末を、バインダーをともにスラリー化し、せん断力のかかるドクターブレード法などで100μm以下レベルのシート状に展開することで、酸化物の熱電半導体材料を製造する方法が提案されている(特許文献3参照)。   In addition, a method for producing an oxide thermoelectric semiconductor material is proposed in which a plate-like raw material powder is slurried together with a binder and developed into a sheet shape of a level of 100 μm or less by a doctor blade method or the like where a shearing force is applied. (See Patent Document 3).

特開2002−151751号公報JP 2002-151751 A 特開2004−211125号公報JP 2004-211125 A 特開2003−034576号公報JP 2003-034576 A

しかしながら、上述した熱間塑性加工を行う従来の熱電半導体材料の製造方法においては、得られる熱電半導体材料の配向度を高める目的で、加工時の塑性変形量を大きくすると、残留応力が大きくなり、その後のスライシング加工やダイシング加工において、カケ及び割れなどによる破損が起こり易いという問題があった。また、これに対し、加工時の塑性変形量を小さくすると配向度が低下することは勿論であるが、得られる熱電半導体材料の配向度の均質性が下がってしまい、歩留り低下の原因となってしまう。   However, in the conventional method for producing a thermoelectric semiconductor material that performs the above-described hot plastic working, in order to increase the degree of orientation of the resulting thermoelectric semiconductor material, increasing the amount of plastic deformation during processing increases the residual stress, In the subsequent slicing processing and dicing processing, there was a problem that breakage due to cracks and cracks easily occurred. On the other hand, if the amount of plastic deformation at the time of processing is reduced, the degree of orientation is of course lowered, but the uniformity of the degree of orientation of the resulting thermoelectric semiconductor material is lowered, causing a decrease in yield. End up.

また、上記した特許文献3の製造方法は、酸化物の熱電半導体材料を製造するための方法であり、例えば、テルル化ビスマスのような酸化に弱い熱電半導体材料を製造することには適しておらず、また、上記したテルル化ビスマスは融点が580℃程度とその他の熱電半導体材料と比較して融点が比較的低く、その融点よりも低い温度にて処理されて製造されるため、炭素成分の残留が多くなり、得られる熱電半導体材料の性能が低下してしまうという問題があった。   Further, the manufacturing method of Patent Document 3 described above is a method for manufacturing an oxide thermoelectric semiconductor material, and is not suitable for manufacturing a thermoelectric semiconductor material that is vulnerable to oxidation, such as bismuth telluride, for example. In addition, the above-described bismuth telluride has a melting point of about 580 ° C., which is relatively low compared to other thermoelectric semiconductor materials, and is processed at a temperature lower than the melting point. There was a problem that the remaining amount was increased and the performance of the obtained thermoelectric semiconductor material was deteriorated.

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、性能の高い熱電素子を高い歩留りで得ることが可能な熱電半導体材料の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the problem is to provide a method for producing a thermoelectric semiconductor material capable of obtaining a high-performance thermoelectric element with a high yield. It is to provide.

本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、熱電半導体材料の原材料からなるインゴットを粉砕した板状粉砕粒子を含むスラリーをテープ成形した成形体を、所定の前処理工程の後に焼結して焼結体を得、得られた焼結体を切断加工して熱電半導体材料を製造することによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have baked a molded body obtained by tape-forming a slurry containing plate-like pulverized particles obtained by pulverizing an ingot made of a raw material of a thermoelectric semiconductor material after a predetermined pretreatment step. The obtained sintered body is cut and processed to produce a thermoelectric semiconductor material, and it is found that the above problems can be achieved, and the present invention has been completed. It was.

即ち、本発明によれば、以下の熱電半導体材料の製造方法が提供される。   That is, according to the present invention, the following method for producing a thermoelectric semiconductor material is provided.

[1] 熱電半導体の原材料からなり、比重が5以上のインゴットを粉砕して、前記原材料の特定の結晶面を表面に有する板状の板状粉砕粒子を得る板状粉砕粒子作製工程と、得られた前記板状粉砕粒子と、バインダーと、分散媒とを混合して、前記板状粉砕粒子の体積割合が30体積%以上となるスラリーを調製するスラリー調製工程と、得られた前記スラリーを、テープ状に成形して成形体を得る成形工程と、得られた前記成形体を、不活性雰囲気で熱処理して、脱脂体を得る脱脂工程と、得られた前記脱脂体を還元処理して脱脂還元体を得る還元工程と、得られた前記脱脂還元体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、得られた前記焼結体を切断加工して熱電半導体材料を得る切断加工工程と、を含む熱電半導体材料の製造方法。 [1] A plate-like pulverized particle production step of obtaining a plate-like pulverized particle having a specific crystal plane of the raw material by pulverizing an ingot made of a thermoelectric semiconductor raw material and having a specific gravity of 5 or more; A slurry preparation step of mixing the obtained plate-like pulverized particles, a binder, and a dispersion medium to prepare a slurry in which the volume ratio of the plate-like pulverized particles is 30% by volume or more, and the obtained slurry A molding step for obtaining a molded body by molding into a tape shape; a degreasing step for obtaining a degreased body by heat-treating the obtained molded body in an inert atmosphere; and a reduction treatment for the obtained degreased body. A reduction process for obtaining a degreased reductant, a sintering process for obtaining a sintered body by sintering the obtained degreased reductant, and a cutting process for obtaining a thermoelectric semiconductor material by cutting the obtained sintered body And a method for producing a thermoelectric semiconductor material.

[2] 前記原材料として、少なくともテルル及びビスマスを用いる前記[1]に記載の熱電半導体材料の製造方法。 [2] The method for producing a thermoelectric semiconductor material according to [1], wherein at least tellurium and bismuth are used as the raw material.

[3] 前記焼結工程において、ホットプレスにより前記脱脂還元体を焼結する前記[1]又は[2]に記載の熱電半導体材料の製造方法。 [3] The method for producing a thermoelectric semiconductor material according to [1] or [2], wherein in the sintering step, the degreased reductant is sintered by hot pressing.

[4] 前記板状粉砕粒子は、長径が20〜70μmであり、アスペクト比が3〜20の粒子である前記[1]〜[3]のいずれかに記載の熱電半導体材料の製造方法。 [4] The method for producing a thermoelectric semiconductor material according to any one of [1] to [3], wherein the plate-like pulverized particles are particles having a major axis of 20 to 70 μm and an aspect ratio of 3 to 20.

[5] 前記バインダーとして、熱ゲル化特性又は熱硬化特性を有する物質を用いる前記[1]〜[4]のいずれかに記載の熱電半導体材料の製造方法。 [5] The method for producing a thermoelectric semiconductor material according to any one of [1] to [4], wherein a substance having thermal gelation characteristics or thermosetting characteristics is used as the binder.

[6] 前記成形工程において、テープ状に成形した前記成形体を複数作製し、複数の前記成形体を積層して、前記成形体の積層体を得る前記[1]〜[5]のいずれかに記載の熱電半導体材料の製造方法。 [6] In any one of the above [1] to [5], in the molding step, a plurality of the molded bodies molded into a tape shape are produced, and a plurality of the molded bodies are laminated to obtain a laminated body of the molded bodies. The manufacturing method of the thermoelectric-semiconductor material of description.

本発明の熱電半導体材料の製造方法によれば、性能の高い熱電素子を高い歩留りで得ることができる。即ち、本発明の熱電半導体材料の製造方法は、従来の熱間塑性加工によって製造された熱電半導体材料と同程度又はそれ以上の配向性を有する熱電半導体材料を簡便且つ低コストに製造することができる。   According to the method for producing a thermoelectric semiconductor material of the present invention, a high-performance thermoelectric element can be obtained with a high yield. That is, the method for producing a thermoelectric semiconductor material of the present invention makes it possible to produce a thermoelectric semiconductor material having an orientation equivalent to or higher than that of a thermoelectric semiconductor material produced by conventional hot plastic working at a low cost. it can.

更に、本発明の熱電半導体材料の製造方法は、熱電半導体材料自体に塑性変形等の応力を加えることなく熱電半導体材料を製造するため、得られた熱電半導体材料には応力の残留(残留応力)がなく、その後のスライシング加工やダイシング加工において、カケ及び割れなどによる破損が生じ難い。   Furthermore, since the thermoelectric semiconductor material manufacturing method of the present invention manufactures a thermoelectric semiconductor material without applying stress such as plastic deformation to the thermoelectric semiconductor material itself, residual stress (residual stress) is present in the obtained thermoelectric semiconductor material. In the subsequent slicing process and dicing process, damage due to cracks and cracks is unlikely to occur.

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be specifically described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiment and does not depart from the spirit of the present invention. Therefore, it should be understood that design changes, improvements, and the like can be made as appropriate based on ordinary knowledge of those skilled in the art.

[1]熱電半導体材料の製造方法:
本発明の熱電半導体材料の製造方法は、図1に示すように、熱電半導体の原材料からなり、比重が5以上のインゴットを粉砕して、前記原材料の特定の結晶面を表面に有する板状の板状粉砕粒子を得る板状粉砕粒子作製工程(S1)と、得られた板状粉砕粒子と、バインダーと、分散媒とを混合して、板状粉砕粒子の体積割合が30体積%以上となるスラリーを調製するスラリー調製工程(S2)と、得られたスラリーを、テープ状に成形して成形体を得る成形工程(S3)と、得られた成形体を、不活性雰囲気で熱処理して、脱脂体を得る脱脂工程(S4)と、得られた脱脂体を還元処理して脱脂還元体を得る還元工程(S5)と、得られた脱脂還元体を焼結して焼結体を得る焼結工程(S6)と、得られた焼結体を切断加工して熱電半導体材料を得る切断加工工程(S7)と、を含む熱電半導体材料の製造方法である。
[1] Method for producing thermoelectric semiconductor material:
As shown in FIG. 1, the method for producing a thermoelectric semiconductor material of the present invention is a plate-like material comprising a thermoelectric semiconductor raw material, pulverizing an ingot having a specific gravity of 5 or more, and having a specific crystal plane of the raw material on the surface. The plate-like pulverized particle preparation step (S1) for obtaining plate-like pulverized particles, the obtained plate-like pulverized particles, a binder, and a dispersion medium are mixed, and the volume ratio of the plate-like pulverized particles is 30% by volume or more. A slurry preparation step (S2) for preparing a slurry to be formed, a molding step (S3) for forming the obtained slurry into a tape shape to obtain a molded body, and the obtained molded body is heat-treated in an inert atmosphere. A degreasing step (S4) for obtaining a degreased body, a reducing step (S5) for reducing the obtained degreased body to obtain a degreased reduced body, and a sintered body obtained by sintering the obtained degreased reduced body. Sintering step (S6) and cutting the obtained sintered body A cutting step to obtain a material (S7), a method of manufacturing a thermoelectric semiconductor material including.

ここで、図1は、本発明の熱電半導体材料の製造方法の一の実施形態を示すフローチャートである。   Here, FIG. 1 is a flowchart showing an embodiment of a method for producing a thermoelectric semiconductor material of the present invention.

本発明の熱電半導体材料の製造方法によれば、熱電半導体材料の原材料からなるインゴットを粉砕した、原材料の特定の結晶面を表面に有する板状粉砕粒子を含む比較的高濃度な(具体的には、板状粉砕粒子の体積割合が30体積%以上の)スラリーをテープ状に成形(以下、「テープ成形」ということがある)した成形体を、上記所定の前処理工程(脱脂工程(S4)、及び還元工程(S5))の後に焼結して焼結体を得、得られた焼結体を切断加工することによって熱電半導体材料を製造することができ、従来の熱間すえこみ鍛造による熱間塑性加工によって製造された熱電半導体材料と同程度又はそれ以上の配向性を有する、性能の高い熱電半導体材料を高い歩留りで得ることができる。   According to the method for manufacturing a thermoelectric semiconductor material of the present invention, a relatively high concentration (specifically, including plate-like pulverized particles having a specific crystal face of the raw material on the surface, obtained by pulverizing an ingot made of the raw material of the thermoelectric semiconductor material. Is the above-mentioned predetermined pretreatment step (degreasing step (S4)) in which a molded body obtained by molding a slurry having a volume ratio of plate-like pulverized particles of 30% by volume or more into a tape shape (hereinafter sometimes referred to as "tape molding"). ) And after the reduction step (S5)), a sintered body is obtained, and a thermoelectric semiconductor material can be produced by cutting the obtained sintered body. Conventional hot upset forging Thus, a high performance thermoelectric semiconductor material having an orientation comparable to or higher than that of a thermoelectric semiconductor material manufactured by hot plastic working can be obtained with a high yield.

更に、本発明の熱電半導体材料の製造方法は、熱電半導体材料自体に塑性変形等の応力を加えることなく熱電半導体材料を製造するため、得られた熱電半導体材料には応力の残留(残留応力)がなく、その後のスライシング加工やダイシング加工において、カケ及び割れなどによる破損が生じ難い。また、従来の製造方法と比較して、製造設備を簡素化することができる。   Furthermore, since the thermoelectric semiconductor material manufacturing method of the present invention manufactures a thermoelectric semiconductor material without applying stress such as plastic deformation to the thermoelectric semiconductor material itself, residual stress (residual stress) is present in the obtained thermoelectric semiconductor material. In the subsequent slicing process and dicing process, damage due to cracks and cracks is unlikely to occur. Moreover, compared with the conventional manufacturing method, a manufacturing facility can be simplified.

熱電半導体材料の性能は、性能指数Zにより比抵抗(抵抗率)ρ、熱伝導率κ、ゼーベック係数αを用いて、下記式(1)のように表される。なお、上記ゼーベック係数は、P型半導体材料においては正の値をとり、N型半導体材料においては負の値をとる。熱電半導体材料としては、性能指数Zの大きいものが望まれる。   The performance of the thermoelectric semiconductor material is expressed by the following formula (1) using the specific resistance (resistivity) ρ, the thermal conductivity κ, and the Seebeck coefficient α by the figure of merit Z. Note that the Seebeck coefficient takes a positive value in a P-type semiconductor material and takes a negative value in an N-type semiconductor material. As the thermoelectric semiconductor material, a material having a large figure of merit Z is desired.

Z=α/ρκ ・・・(1) Z = α 2 / ρκ (1)

本発明の熱電半導体材料の製造方法により製造される熱電半導体材料は、板状粉砕粒子を含むスラリーをテープ成形した成形体において、各板状粉砕粒子が、原材料の結晶面が揃うように配列して成形体を形成するため、脱脂、還元、及び焼結を経て得られた焼結体(熱電半導体材料)が高配向のものとなり、上記性能指数Zに優れた熱電半導体材料を得ることができる。   The thermoelectric semiconductor material produced by the method for producing a thermoelectric semiconductor material of the present invention is a molded body obtained by tape-forming a slurry containing plate-like pulverized particles, and each plate-like pulverized particle is arranged so that the crystal planes of the raw materials are aligned. In order to form a molded body, a sintered body (thermoelectric semiconductor material) obtained through degreasing, reduction, and sintering becomes highly oriented, and a thermoelectric semiconductor material having an excellent performance index Z can be obtained. .

また、不活性雰囲気による脱脂工程(S4)により、成形体に含まれるバインダーを適切に除去し、更に、板状粉砕粒子を構成する結晶粒の酸化を、還元工程(S5)によって取除くことができるため、得られる熱電半導体材料の炭素及び酸素の残留を有効に防止することができ、上記性能指数Zをより向上させることができる。   In addition, the degreasing step (S4) using an inert atmosphere can appropriately remove the binder contained in the molded body, and furthermore, the oxidation of the crystal grains constituting the plate-like pulverized particles can be removed by the reduction step (S5). Therefore, it is possible to effectively prevent carbon and oxygen from remaining in the obtained thermoelectric semiconductor material, and the performance index Z can be further improved.

以下、本発明の熱電半導体材料の製造方法(以下、単に「本発明の製造方法」ということがある)の各工程(S1)〜(S7)について、更に詳細に説明する。   Hereinafter, the steps (S1) to (S7) of the method for producing a thermoelectric semiconductor material of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as “the production method of the present invention”) will be described in more detail.

[1−1]板状粉砕粒子作製工程(S1):
板状粉砕粒子作製工程(S1)は、熱電半導体の原材料からなり、比重が5以上のインゴットを粉砕して、上記原材料の特定の結晶面を表面に有する板状の粉砕粒子を得る工程である。即ち、インゴットの粉砕面に上記特定の結晶面が現れ、板状粉砕粒子の表面を構成することとなる。
[1-1] Plate-like pulverized particle production step (S1):
The plate-like pulverized particle preparation step (S1) is a step of obtaining plate-like pulverized particles made of a thermoelectric semiconductor raw material and having a specific crystal face of the raw material on the surface by pulverizing an ingot having a specific gravity of 5 or more. . That is, the specific crystal plane appears on the pulverized surface of the ingot and constitutes the surface of the plate-shaped pulverized particles.

より具体的には、まず、図1に示すように、インゴットを作製するための原材料を秤量する(S1a)。使用する原材料については、熱電半導体材料の製造に用いることが可能な材料であり、その比重が5以上となるものであれば特に制限はなく、公知の熱電半導体材料用の原材料を、製造する熱電半導体材料の化学量論比となるように適宜秤量して用いることができる。   More specifically, first, as shown in FIG. 1, raw materials for producing an ingot are weighed (S1a). The raw material to be used is not particularly limited as long as it is a material that can be used for manufacturing a thermoelectric semiconductor material and has a specific gravity of 5 or more, and a thermoelectric material for manufacturing a known raw material for a thermoelectric semiconductor material can be used. They can be appropriately weighed so as to have a stoichiometric ratio of the semiconductor material.

なお、本発明の製造方法においては、上記原材料として、少なくともテルル及びビスマスを用いることが好ましい。即ち、本発明の製造方法は、熱電半導体材料としてテルル化ビスマスを製造する方法として好適である。例えば、P型熱電半導体材料の原材料としては、テルル(Te)、ビスマス(Bi)、及びアンチモン(Sb)を、Bi0.4Sb1.6Teとなるように秤量して用いることができる。なお、上記テルル化ビスマスの比重は6.5以上のものがある。 In the production method of the present invention, it is preferable to use at least tellurium and bismuth as the raw materials. That is, the production method of the present invention is suitable as a method for producing bismuth telluride as a thermoelectric semiconductor material. For example, as a raw material of a P-type thermoelectric semiconductor material, tellurium (Te), bismuth (Bi), and antimony (Sb) can be weighed so as to be Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3. . The specific gravity of bismuth telluride is 6.5 or more.

上述したテルル化ビスマスは、酸化雰囲気に弱く、また、その融点が580℃と他の公知の熱電半導体材料と比べて比較的に低温であるため、スラリーを利用した成形による製造は従来行われていなかったが、本発明の製造方法においては、スラリーを用いた成形工程(S3)後に、脱脂工程(S4)及び還元工程(S5)を行うことにより、スラリー中の炭素成分(主として、スラリー中のバインダー)の除去が可能となり、性能指数Zに優れた熱電半導体材料の製造を実現することができる。   Since the above-described bismuth telluride is weak in an oxidizing atmosphere and has a melting point of 580 ° C., which is relatively low compared to other known thermoelectric semiconductor materials, production by molding using slurry has been conventionally performed. In the production method of the present invention, the carbon component in the slurry (mainly in the slurry) is obtained by performing the degreasing step (S4) and the reduction step (S5) after the molding step (S3) using the slurry. The binder) can be removed, and the production of a thermoelectric semiconductor material having an excellent figure of merit Z can be realized.

次に、このようして秤量した原材料からインゴットを作製するために、この原材料を混合し、溶融する(S1b)。原材料を溶融する際には、溶解した原材料が酸化しないように、不活性雰囲気にて溶融することが好ましい。具体的には、アルゴンガス雰囲気を好適例として挙げることができる。また、溶融温度については特に制限はなく、使用する原材料に応じて適宜決定することができる。   Next, in order to produce an ingot from the raw materials thus weighed, the raw materials are mixed and melted (S1b). When the raw material is melted, it is preferably melted in an inert atmosphere so that the dissolved raw material is not oxidized. Specifically, an argon gas atmosphere can be given as a suitable example. Moreover, there is no restriction | limiting in particular about melting temperature, According to the raw material to be used, it can determine suitably.

次に、溶融した原材料を冷却して凝固させてインゴットを作製する(S1c)。原材料の溶融(S1b)とインゴットの作製(S1c)は、例えば、以下のような方法によって実現することができる。   Next, the molten raw material is cooled and solidified to produce an ingot (S1c). The melting of raw materials (S1b) and the production of ingots (S1c) can be realized, for example, by the following method.

秤量した原材料を、石英管のアンプルに導入し、内部の雰囲気をアルゴン雰囲気に置換する。次に、このアンプルの導入口を封止し、アンプル内に原材料を封入する。次に、このアンプルを、溶融温度まで加熱した炉内に入れて、アンプル内の原材料を溶融する。次に、溶融した原材料を攪拌するため、アンプル又は炉を回転又は揺動させ、その後、溶融した原材料を冷却してインゴットを作製する。   The weighed raw materials are introduced into an ampule of a quartz tube, and the internal atmosphere is replaced with an argon atmosphere. Next, the inlet of the ampule is sealed, and the raw material is sealed in the ampule. Next, this ampoule is placed in a furnace heated to the melting temperature to melt the raw material in the ampoule. Next, in order to stir the molten raw material, an ampoule or a furnace is rotated or rocked, and then the molten raw material is cooled to produce an ingot.

本発明の製造方法においては、上記原材料からなる結晶がへき開性を有するものであることが好ましい。例えば、テルル化ビスマスの結晶は六方晶系であり、このC面において、Te−Teのファンデルワールス力で結合している面が、へき開面となるへき開性を有している。このため、インゴットを粉砕した際に良好に板状粉砕粒子を得ることができる。   In the manufacturing method of this invention, it is preferable that the crystal | crystallization which consists of the said raw material has a cleavage property. For example, the crystal of bismuth telluride is hexagonal, and in this C plane, the plane bonded by the Te-Te van der Waals force is a cleavage plane. For this reason, plate-like pulverized particles can be obtained satisfactorily when the ingot is pulverized.

次に、作製されたインゴットを粉砕し、板状粉砕粒子を得る(S1d)。インゴットの粉砕は、ボールミル、スタンプミル、インパクトミル、ジェットミル、ボールミル、チューブミル、ポットミル等の公知の粉砕機を好適に用いることができる。   Next, the produced ingot is pulverized to obtain plate-like pulverized particles (S1d). A known pulverizer such as a ball mill, a stamp mill, an impact mill, a jet mill, a ball mill, a tube mill, or a pot mill can be suitably used for pulverizing the ingot.

上述したように作製されたインゴットは、上記粉砕によって板状粉砕粒子となる。本発明の製造方法においては、このようにして得られた板状粉砕粒子を篩にかけ、長径が20〜70μmであり、アスペクト比が3〜20の粒子を選別して用いることが好ましい。このような粒子を用いることによって、得られる熱電半導体材料における配向性を向上させるとともに、配向性の場所ムラを少なくすることができる。例えば、長径が20μm未満の板状粉砕粒子では、成形時の配列性が悪くなり、配向性を低下させるおそれがあり、長径が70μmを超える板状粉砕粒子では、場所ムラの原因となるおそれがある。また、アスペクト比が3未満であると、成形時の配列性が悪くなり、配向性を低下させるおそれがあり、アスペクト比が20を超えると、場所ムラの原因となるおそれがある。   The ingot produced as described above becomes plate-like pulverized particles by the pulverization. In the production method of the present invention, the plate-like pulverized particles thus obtained are sieved, and it is preferable to select and use particles having a major axis of 20 to 70 μm and an aspect ratio of 3 to 20. By using such particles, it is possible to improve the orientation in the resulting thermoelectric semiconductor material and reduce the unevenness of the orientation. For example, plate-shaped pulverized particles having a major axis of less than 20 μm may deteriorate the alignment during molding and may deteriorate the orientation, and plate-shaped pulverized particles having a major axis exceeding 70 μm may cause unevenness in location. is there. Further, when the aspect ratio is less than 3, the alignment property at the time of molding may be deteriorated and the orientation may be lowered, and when the aspect ratio exceeds 20, there may be a cause of location unevenness.

なお、板状粉砕粒子における特定の結晶面は、インゴットを粉砕した際に形成される板状粉砕粒子の粉砕面のことであり、特に、原材料からなる結晶が一定方向に割れて形成された平滑な表面であることが好ましい。例えば、上記したように、原材料からなる結晶がへき開性を有するものである場合には、原材料からなる結晶のへき開面を挙げることができる。このようなへき開面は、電子伝導性の高い面となるため、配向させることで、配向面に平行な方向の熱電特性を向上させることができる。   The specific crystal plane in the plate-like pulverized particles refers to the pulverized surface of the plate-like pulverized particles formed when the ingot is pulverized. In particular, the smooth crystal formed by cracking the raw material crystals in a certain direction. It is preferable that the surface be smooth. For example, as described above, when the crystal made of the raw material has a cleavage property, a cleavage plane of the crystal made of the raw material can be mentioned. Such a cleaved surface becomes a surface with high electron conductivity, and therefore, it is possible to improve thermoelectric characteristics in a direction parallel to the oriented surface by orientation.

なお、特に限定されることはないが、板状粉砕粒子は、長径が20〜50μmであり、アスペクト比が5〜20の粒子を用いることが更に好ましく、長径が20〜40μmであり、アスペクト比が10〜20の粒子を用いることが特に好ましい。   Although not particularly limited, it is more preferable that the plate-like pulverized particles have a major axis of 20 to 50 μm and an aspect ratio of 5 to 20, and a major axis of 20 to 40 μm. It is particularly preferable to use particles having a particle size of 10 to 20.

[1−2]スラリー調製工程(S2):
次に、得られた板状粉砕粒子と、バインダーと、分散媒とを混合して、板状粉砕粒子の体積割合が30体積%以上となるスラリーを調製する(S2)。
[1-2] Slurry preparation step (S2):
Next, the obtained plate-like pulverized particles, a binder, and a dispersion medium are mixed to prepare a slurry in which the volume ratio of the plate-like pulverized particles is 30% by volume or more (S2).

上記スラリーの全体体積に対する板状粉砕粒子の体積割合が30体積%未満であると、この後の成形工程によって得られる成形体において、各板状粉砕粒子の配列が不均一となり、得られる熱電半導体材料の性能指数Zが著しく低下してしまう。   When the volume ratio of the plate-like pulverized particles to the whole volume of the slurry is less than 30% by volume, the arrangement of the plate-like pulverized particles becomes non-uniform in the molded product obtained by the subsequent molding step, and the resulting thermoelectric semiconductor The figure of merit Z of the material is significantly reduced.

特に、テルル化ビスマスのような比重が5以上の熱電半導体材料は、板状粉砕粒子の体積割合を上記範囲(30体積%以上)としなければ、スラリー中の板状粉砕粒子の挙動(即ち、粒子の配向)を制御することができず、成形体中の各板状粉砕粒子が均一に配列せず、良好な性能指数Zの熱電半導体材料を得ることはできない。本発明の製造方法は、このような比重が5以上の熱電半導体材料を、テープ成形を用いて高い歩留りで得ることができる。   In particular, the thermoelectric semiconductor material having a specific gravity of 5 or more, such as bismuth telluride, has a behavior of the plate-like pulverized particles in the slurry unless the volume ratio of the plate-like pulverized particles is within the above range (30% by volume or more) (that is, The orientation of the particles) cannot be controlled, and the plate-like pulverized particles in the molded body are not uniformly arranged, so that a thermoelectric semiconductor material having a good figure of merit Z cannot be obtained. The manufacturing method of the present invention can obtain such a thermoelectric semiconductor material having a specific gravity of 5 or more with a high yield using tape molding.

なお、スラリーの全体体積に対する板状粉砕粒子の体積割合については、成形工程における成形性と、板状粉砕粒子の配列の均一性とを考慮して、30〜70体積%であることが好ましく、30〜60体積%であることが更に好ましく、40〜50体積%であることが特に好ましい。例えば、上記板状粉砕粒子の体積割合が70体積%を超えると、スラリー中の板状粉砕粒子の濃度が高くなり過ぎて、スラリーのテープ成形が困難になるおそれがある。   The volume ratio of the plate-like pulverized particles to the total volume of the slurry is preferably 30 to 70% by volume in consideration of the moldability in the forming step and the uniformity of the arrangement of the plate-like pulverized particles. More preferably, it is 30-60 volume%, and it is especially preferable that it is 40-50 volume%. For example, when the volume ratio of the plate-like pulverized particles exceeds 70% by volume, the concentration of the plate-like pulverized particles in the slurry becomes too high, and it may be difficult to form the slurry into a tape.

スラリーの調製に用いられるバインダーについては特に制限はなく、例えば、従来公知のセラミックスのテープ成形に用いられるスラリーに含まれるバインダーを好適に用いることができる。   There is no restriction | limiting in particular about the binder used for preparation of a slurry, For example, the binder contained in the slurry used for the tape shaping | molding of a conventionally well-known ceramic can be used suitably.

なお、本発明の製造方法においては、このスラリーのバインダーとして、熱ゲル化特性又は熱硬化特性を有する物質を用いることが好ましい。このような物質を用いることによって、調製したスラリーが、熱ゲル化特性又は熱硬化特性を有するものとなり、従来のゲルキャスト法を応用した熱電半導体材料の成形体の成形が可能となる。これにより、成形体の乾燥収縮が極めて小さくなり、成形体の破損を防止することができ、成形工程(S3)において厚さの厚い成形体の成形が実現可能となる。   In addition, in the manufacturing method of this invention, it is preferable to use the substance which has a thermogelling characteristic or a thermosetting characteristic as a binder of this slurry. By using such a substance, the prepared slurry has thermal gelation characteristics or thermosetting characteristics, and a molded body of a thermoelectric semiconductor material to which a conventional gel casting method is applied can be formed. Thereby, the drying shrinkage of the molded body becomes extremely small, and the molded body can be prevented from being damaged, and the molding of a thick molded body can be realized in the molding step (S3).

熱ゲル化特性又は熱硬化特性を有する物質としては、溶媒中で、イソシアネート及びポリオール(これらはウレタン反応によりウレタン樹脂となる)と、ウレタン反応を促進させる触媒が添加された混合物を挙げることができる。   Examples of the substance having a thermal gelation property or a thermosetting property include a mixture in which an isocyanate and a polyol (these become a urethane resin by a urethane reaction) and a catalyst for promoting the urethane reaction are added in a solvent. .

イソシアネートとしては、イソシアネート基を官能基として有する物質であれば特に限定されないが、例えば、トリレンジイソシアネート(TDI)、ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、或いは、これらの変性体等を用いることができる。なお、分子内おいて、イソシアネート基以外の反応性官能基が含有されていてもよく、更には、ポリイソシアネートのように、反応官能基が多数含有されていてもよい。   Isocyanate is not particularly limited as long as it is a substance having an isocyanate group as a functional group. For example, tolylene diisocyanate (TDI), diphenylmethane diisocyanate (MDI), or modified products thereof can be used. In addition, in the molecule | numerator, reactive functional groups other than an isocyanate group may contain, and also many reactive functional groups may contain like polyisocyanate.

ポリオールとしては、イソシアネート基と反応し得る官能基、例えば、水酸基、アミノ基等を有する物質であれば特に限定されないが、例えば、エチレングリコール(EG)、ポリエチレングリコール(PEG)、プロピレングリコール(PG)、ポリプロピレングリコール(PPG)、ポリテトラメチレングリコール(PTMG)、ポリヘキサメチレングリコール(PHMG)、ポリビニルブチラール(PVB)等を用いることができる。   The polyol is not particularly limited as long as it has a functional group capable of reacting with an isocyanate group, for example, a hydroxyl group, an amino group, etc. For example, ethylene glycol (EG), polyethylene glycol (PEG), propylene glycol (PG). Polypropylene glycol (PPG), polytetramethylene glycol (PTMG), polyhexamethylene glycol (PHMG), polyvinyl butyral (PVB), and the like can be used.

触媒としては、ウレタン反応を促進させる物質であれば特に限定されないが、例えば、トリエチレンジアミン、ヘキサンジアミン、6−ジメチルアミノ−1−ヘキサノール等を用いることができる。   Although it will not specifically limit as a catalyst if it is a substance which accelerates | stimulates a urethane reaction, For example, a triethylenediamine, hexanediamine, 6-dimethylamino-1-hexanol etc. can be used.

バインダーの添加量は、板状粉砕粒子100体積部に対して、5〜50体積部であることが好ましく、10〜40体積部であることが更に好ましい。このように構成することによって、成形体の乾燥時における破損を有効に防止することができる。   The addition amount of the binder is preferably 5 to 50 parts by volume, more preferably 10 to 40 parts by volume with respect to 100 parts by volume of the plate-like pulverized particles. By comprising in this way, the failure | damage at the time of drying of a molded object can be prevented effectively.

スラリーの調製に用いられる分散媒についても、例えば、従来公知のセラミックスのテープ成形に用いられるスラリーに含まれる分散媒、例えば、有機溶媒を好適に用いることができる。具体的には、例えば、トルエン、キシレン、イソプロパノール等を好適例として挙げることができる。なお、これらの分散媒は、一種単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。   As for the dispersion medium used for the preparation of the slurry, for example, a dispersion medium contained in the slurry used for conventionally known ceramic tape molding, for example, an organic solvent can be suitably used. Specifically, toluene, xylene, isopropanol, etc. can be mentioned as a suitable example, for example. In addition, these dispersion media can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

また、スラリーを構成する際には、これまでに説明した板状粉砕粒子、バインダー、及び分散媒以外にも、従来公知のセラミックスのテープ成形に用いられるスラリーに含まれるその他の成分を更に添加してもよい。具体的には、例えば、可塑剤、及び分散剤等を挙げることができる。   In addition, when constituting the slurry, in addition to the plate-like pulverized particles, the binder, and the dispersion medium described so far, other components contained in the slurry used for tape forming of conventionally known ceramics are further added. May be. Specifically, a plasticizer, a dispersing agent, etc. can be mentioned, for example.

可塑剤は、スラリーに可塑性を与え、加工性をよくするための添加剤である。このような可塑剤としては、例えば、グリセリン、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート、フタル酸ジ−2−エチルヘキシル(DOP)、フタル酸ジイソノニル(DINP)等を挙げることができる。   The plasticizer is an additive for imparting plasticity to the slurry and improving workability. Examples of such a plasticizer include glycerin, polyethylene glycol, dibutyl phthalate, di-2-ethylhexyl phthalate (DOP), diisononyl phthalate (DINP), and the like.

可塑剤の添加量は、板状粉砕粒子100質量部に対して、0.5〜5質量部であることが好ましく、1〜3質量部であることが更に好ましい。5質量部を超えると、成形体が柔らかくなり過ぎて変形し易くなることがあり、一方、0.5質量部未満では、可塑剤を添加した効果が発現し難く、成形体が硬くなってしまうことがある。   The addition amount of the plasticizer is preferably 0.5 to 5 parts by mass, and more preferably 1 to 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the plate-like pulverized particles. If the amount exceeds 5 parts by mass, the molded product may become too soft and easily deformed. On the other hand, if the amount is less than 0.5 parts by mass, the effect of adding a plasticizer hardly appears and the molded product becomes hard. Sometimes.

分散剤は、スラリーに板状粉砕粒子を均一に分散させるための添加剤である。このような分散剤としては、例えば、アニオン系、カチオン系、ノニオン系又は両性の界面活性剤のいずれでも使用することができるが、好ましくはノニオン系界面活性剤である。   The dispersant is an additive for uniformly dispersing the plate-like pulverized particles in the slurry. As such a dispersant, for example, any of an anionic, cationic, nonionic or amphoteric surfactant can be used, and a nonionic surfactant is preferable.

分散剤の添加量は、板状粉砕粒子100質量部に対して、0.1〜5質量部であることが好ましく、0.5〜2質量部であることが更に好ましい。5質量部を超えて添加したとしても、板状粉砕粒子の分散性の更なる向上が得られず、逆に不純物を増加させてしまうおそれがある。一方、一方、0.1質量部未満では、分散剤を添加した効果が発現し難く、成形体にクラックが生じ易くなってしまうことがある。   The addition amount of the dispersant is preferably 0.1 to 5 parts by mass, and more preferably 0.5 to 2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the plate-like pulverized particles. Even if it is added in excess of 5 parts by mass, further improvement in dispersibility of the plate-like pulverized particles cannot be obtained, and conversely, impurities may be increased. On the other hand, if the amount is less than 0.1 parts by mass, the effect of adding the dispersant is hardly exhibited, and cracks may easily occur in the molded body.

スラリー調製工程(S2)においては、板状粉砕粒子、バインダー、分散媒、及び必要に応じて各種添加を混合して、板状粉砕粒子の体積割合が30体積%以上となるスラリーを調製するものである。予め、上記体積割合となるように分散媒の量を調節して各成分を混合してもよいが、例えば、過剰量の分散媒を使用し、スラリーの調製時において、例えば80℃程度で湯煎した後に、減圧下で撹拌しながら分散媒を揮発させる作業を繰り返すことによって、板状粉砕粒子の体積割合を30体積%以上に調節してもよい。この場合には、各成分の仕込み量から分散媒の揮発量を差し引いて板状粉砕粒子の体積割合を算出することができる。   In the slurry preparation step (S2), a plate-like pulverized particle, a binder, a dispersion medium, and various additions as necessary are mixed to prepare a slurry in which the volume ratio of the plate-like pulverized particle is 30% by volume or more. It is. The components may be mixed in advance by adjusting the amount of the dispersion medium so that the volume ratio is as described above. For example, when an excess amount of the dispersion medium is used and the slurry is prepared, Then, the volume ratio of the plate-like pulverized particles may be adjusted to 30% by volume or more by repeating the operation of volatilizing the dispersion medium while stirring under reduced pressure. In this case, the volume ratio of the plate-like pulverized particles can be calculated by subtracting the volatilization amount of the dispersion medium from the charged amount of each component.

[1−3]成形工程(S3):
次に、得られたスラリーを、図2Aに示すように、テープ状に成形して成形体12を得る(S3)。成形方法については特に制限はなくドクターブレード等の一般的なテープ成形機によりテープ状に成形することができる。ここで、図2Aは、本発明の熱電半導体材料の製造方法の一の実施形態における成形工程の一例を説明する斜視図である。
[1-3] Molding step (S3):
Next, as shown in FIG. 2A, the obtained slurry is formed into a tape shape to obtain a formed body 12 (S3). There is no restriction | limiting in particular about a shaping | molding method, It can shape | mold in tape shape with common tape forming machines, such as a doctor blade. Here, FIG. 2A is a perspective view for explaining an example of a molding step in one embodiment of the method for producing a thermoelectric semiconductor material of the present invention.

本発明の製造方法において、上記板状粉砕粒子作製工程(S1)によって得られた特定形状の板状粉砕粒子を30体積%以上含むスラリーを用いて成形体12を成形するため、得られる成形体12を構成する板状粉砕粒子が、各板状粉砕粒子における結晶面の配向が揃うように配列する。このため、焼結後に得られる熱電半導体材料は、配向性に優れたものとなる。   In the production method of the present invention, since the molded body 12 is molded using a slurry containing 30% by volume or more of the plate-shaped pulverized particles having a specific shape obtained in the plate-shaped pulverized particle production step (S1), the molded body obtained is obtained. The plate-like pulverized particles constituting 12 are arranged so that the orientations of crystal planes in each plate-like pulverized particle are aligned. For this reason, the thermoelectric semiconductor material obtained after sintering has excellent orientation.

なお、従来の熱電半導体材料の製造においては、例えば、特開2006−040963号公報や特開平10−173110号公報に記載されているように、基板上の所定領域に、熱電材料粒子を含むスラリー(又はペースト)を印刷する技術が提案されているが、これらに開示された製造方法では、十分な配向性が得られず、熱間塑性加工でつくったものに比べ、低い特性のものしか得られなかった。本発明の製造方法においては、所定形状の板状粉砕粒子を特定の体積割合で含むスラリーをテープ成形した成形体を用いて熱電半導体材料を製造するため、性能の高い熱電半導体材料を高い歩留りで得ることができる。   In the production of conventional thermoelectric semiconductor materials, for example, as described in JP-A-2006-040963 and JP-A-10-173110, a slurry containing thermoelectric material particles in a predetermined region on a substrate. (Or paste) printing techniques have been proposed, but the manufacturing methods disclosed therein do not provide sufficient orientation, and only have low properties compared to those produced by hot plastic working. I couldn't. In the production method of the present invention, a thermoelectric semiconductor material is produced using a molded article obtained by tape-molding a slurry containing plate-shaped pulverized particles having a predetermined shape in a specific volume ratio. Therefore, a high-performance thermoelectric semiconductor material can be produced at a high yield. Obtainable.

なお、成形体12の厚さについては特に制限はないが、板状粉砕粒子における結晶面の配向が良好に揃うようなものとするためには、5〜500μmの厚さとすることが好ましく、10〜300μmの厚さとすることが更に好ましく、50〜200μmの厚さとすることが特に好ましい。成形体の厚さが500μmを超えると、成形体の厚さ方向に含まれる粉砕粒子の数が多くなり、粉砕粒子の配列が乱れるおそれがある。   The thickness of the molded body 12 is not particularly limited, but is preferably 5 to 500 μm in order to ensure that the orientation of crystal planes in the plate-like pulverized particles is well aligned. It is more preferable to set the thickness to ˜300 μm, and it is particularly preferable to set the thickness to 50 to 200 μm. When the thickness of the molded body exceeds 500 μm, the number of pulverized particles included in the thickness direction of the molded body increases, and the arrangement of the pulverized particles may be disturbed.

また、本発明の製造方法においては、上記した成形工程によって成形体を得た後、得られた成形体を乾燥することが好ましい。乾燥方法については特に制限はなく、例えば、熱風乾燥、マイクロ波乾燥、誘電乾燥、減圧乾燥、真空乾燥、凍結乾燥等の従来公知の乾燥法を用いることができる。   Moreover, in the manufacturing method of this invention, after obtaining a molded object by the above-mentioned shaping | molding process, it is preferable to dry the obtained molded object. The drying method is not particularly limited, and conventionally known drying methods such as hot air drying, microwave drying, dielectric drying, reduced pressure drying, vacuum drying, freeze drying and the like can be used.

なお、本発明の製造方法においては、この成形工程(S3)において、図3Aに示すように、テープ状に成形した成形体22を複数作製し、複数の成形体22を積層して、成形体22の積層体23を得ることができる。単一のテープ成形では、得られる成形体の厚さには限界があるが、このように得られる成形体を積層体とすることによって、厚さの厚い成形体を得ることが可能となる。ここで、図3Aは、本発明の熱電半導体材料の製造方法の一の実施形態における成形工程の他の例を説明する斜視図である。   In the production method of the present invention, in this molding step (S3), as shown in FIG. 3A, a plurality of molded bodies 22 formed into a tape shape are produced, and the plurality of molded bodies 22 are laminated to form a molded body. Thus, 22 laminated bodies 23 can be obtained. With a single tape molding, there is a limit to the thickness of the molded body to be obtained, but by using the molded body thus obtained as a laminate, it is possible to obtain a molded body with a large thickness. Here, FIG. 3A is a perspective view for explaining another example of the molding step in one embodiment of the method for producing a thermoelectric semiconductor material of the present invention.

なお、図3Aにおいては、成形体22を4枚作製し、この4枚の成形体22を積層して積層体23を形成した場合の例を示しているが、成形体を積層する枚数については特に制限はなく、製造する熱電半導体材料の厚さに応じて適宜選択することができる。   3A shows an example in which four molded bodies 22 are produced and the four molded bodies 22 are laminated to form a laminated body 23, but the number of molded bodies to be laminated is shown. There is no restriction | limiting in particular, According to the thickness of the thermoelectric semiconductor material to manufacture, it can select suitably.

また、複数の成形体を積層して積層体を形成する場合には、積層した各成形体の積層界面を互いに密着させ、積層体が一つの熱電半導体材料となるように積層体を厚さ方向に押圧又は加熱押圧して一体化させることが好ましい。   In addition, when forming a laminated body by laminating a plurality of molded bodies, the laminated bodies of the laminated molded bodies are brought into close contact with each other, and the laminated body is formed in the thickness direction so that the laminated body becomes one thermoelectric semiconductor material. It is preferable to press or heat and integrate.

[1−4]脱脂工程(S4):
次に、得られた成形体を不活性雰囲気で熱処理して、脱脂体を得る。脱脂工程(S4)は、成形体のスラリーに含まれるバインダー及び必要に応じて添加された可塑剤や分散剤等の添加物等の脂肪分を熱処理して取除く工程である。
[1-4] Degreasing step (S4):
Next, the obtained molded body is heat-treated in an inert atmosphere to obtain a degreased body. The degreasing step (S4) is a step in which fats such as binders and additives such as plasticizers and dispersants added as necessary are removed by heat treatment.

脱脂工程(S4)における熱処理温度については、バインダー及び添加物等の脂肪分の種類によっても異なるが、例えば、300〜650℃であることが好ましく、350〜600℃であることが更に好ましく、400〜550℃であることが特に好ましい。このように構成することによって、脂肪分を良好に除去することができ、得られる熱電半導体材料における炭素の残留を極めて少なくすることができる。   About the heat processing temperature in a degreasing process (S4), although it changes also with kinds of fats, such as a binder and an additive, it is preferable that it is 300-650 degreeC, for example, it is still more preferable that it is 350-600 degreeC, 400 It is particularly preferable that the temperature is ˜550 ° C. By comprising in this way, a fat content can be removed favorably and the residue of carbon in the thermoelectric semiconductor material obtained can be decreased extremely.

[1−5]還元工程(S5):
次に、得られた脱脂体を還元処理して脱脂還元体を得る(S5)。脱脂体又は脱脂を行う前の成形体は、これまでに説明した製造過程において、その一部が酸化されていることがある。このような状態の脱脂体から熱電半導体材料を製造した場合、熱電半導体材料を構成する結晶粒の一部が酸化されたものとなり、熱電半導体材料の純度が低下し、熱電半導体材料の性能が低下してしまう。本発明の製造方法においては、脱脂体を還元することによって、酸素の残留の少ない熱電半導体材料を製造することができる。
[1-5] Reduction step (S5):
Next, the obtained defatted body is reduced to obtain a defatted reduced body (S5). A part of the degreased body or the molded body before degreasing may be oxidized in the production process described so far. When a thermoelectric semiconductor material is manufactured from a degreased body in such a state, a part of crystal grains constituting the thermoelectric semiconductor material is oxidized, the purity of the thermoelectric semiconductor material is lowered, and the performance of the thermoelectric semiconductor material is lowered. Resulting in. In the production method of the present invention, a thermoelectric semiconductor material with little residual oxygen can be produced by reducing the defatted body.

還元処理の方法としては、例えば、水素炉にて所定の温度で熱処理し、脱脂体を水素還元する方法を挙げることができる。熱処理の温度については、使用した原材料の種類に応じて適宜決定することができるが、原材料の融点よりも低い温度、例えば、原材料としてテルル及びビスマスを用いたテルル化ビスマスを製造する場合には、250〜550℃であることが好ましく、300〜450℃であることが更に好ましく、300〜400℃であることが特に好ましい。このように構成することによって、脱脂体を良好に還元することができる。例えば、還元処理の温度が低すぎると、酸化された結晶粒の還元が十分に行われないことがあり、一方、還元処理の温度が高すぎると、還元が行われる前に、脱脂体を構成する結晶粒の焼結が生じてしまうことがある。   Examples of the reduction treatment method include a method in which heat treatment is performed at a predetermined temperature in a hydrogen furnace to reduce the defatted body with hydrogen. The temperature of the heat treatment can be appropriately determined according to the type of raw material used, but when producing a temperature lower than the melting point of the raw material, for example, bismuth telluride using tellurium and bismuth as raw materials, The temperature is preferably 250 to 550 ° C, more preferably 300 to 450 ° C, and particularly preferably 300 to 400 ° C. By comprising in this way, a degreased body can be reduced satisfactorily. For example, if the temperature of the reduction treatment is too low, the oxidized crystal grains may not be sufficiently reduced. On the other hand, if the temperature of the reduction treatment is too high, the degreased body is formed before the reduction is performed. May cause sintering of crystal grains.

[1−6]焼結工程(S6):
次に、得られた脱脂還元体を焼結して焼結体を得る(S6)。焼結の方法としては、従来公知のセラミックシートの成形体を焼結する方法と同様の方法、例えば、ホットプレス法等を好適に用いることができる。
[1-6] Sintering step (S6):
Next, the obtained degreased reductant is sintered to obtain a sintered body (S6). As a sintering method, a method similar to a method of sintering a conventionally known ceramic sheet compact, for example, a hot press method can be suitably used.

なお、この焼結工程は、不活性雰囲気、例えば、アルゴンガス雰囲気にて行うことが好ましい。また、焼結温度については、使用した原材料の種類に応じて適宜決定することができる。例えば、原材料としてテルル及びビスマスを用いたテルル化ビスマスを製造する場合には、350〜580℃であることが好ましく、400〜550℃であることが更に好ましく、450〜550℃であることが特に好ましい。   In addition, it is preferable to perform this sintering process in inert atmosphere, for example, argon gas atmosphere. Moreover, about sintering temperature, it can determine suitably according to the kind of used raw material. For example, when producing bismuth telluride using tellurium and bismuth as raw materials, it is preferably 350 to 580 ° C., more preferably 400 to 550 ° C., and particularly preferably 450 to 550 ° C. preferable.

また、ホットプレスによって脱脂還元体を焼結する場合には、テープ状の脱脂還元体の厚さ方向に対して圧力をかけながら、脱脂還元体を加熱して焼結する。ホットプレスにおける圧力については特に制限はないが、例えば、15〜100MPaであることが好ましく、20〜80MPaであることが更に好ましく、30〜60MPaであることが特に好ましい。このように構成することによって、配向性に優れた熱電半導体材料を良好に得ることができる。   Moreover, when sintering a degreasing reductant by hot press, heating and sintering a degreasing reductant, applying a pressure with respect to the thickness direction of a tape-shaped degreasing reductant. Although there is no restriction | limiting in particular about the pressure in a hot press, For example, it is preferable that it is 15-100 MPa, It is more preferable that it is 20-80 MPa, It is especially preferable that it is 30-60 MPa. By comprising in this way, the thermoelectric semiconductor material excellent in the orientation can be obtained favorably.

[1−7]切断加工工程(S7):
次に、図2B及び図2Cに示すように、得られた焼結体14を所定の形状に切断加工して熱電半導体材料16を得る。このように構成することによって、性能の高い熱電半導体材料を高い歩留りで得ることができる。特に、本発明の製造方法においては、従来の製造方法のように熱間塑性加工等の操作を行っていないため、焼結体14には不要な応力の残留がなく、上記切断加工工程において、カケ及び割れなどによる破損が生じ難くなっている。
[1-7] Cutting process (S7):
Next, as shown in FIGS. 2B and 2C, the obtained sintered body 14 is cut into a predetermined shape to obtain a thermoelectric semiconductor material 16. With such a configuration, a high-performance thermoelectric semiconductor material can be obtained with a high yield. In particular, in the manufacturing method of the present invention, since operations such as hot plastic processing are not performed as in the conventional manufacturing method, there is no residual residual stress in the sintered body 14, and in the cutting process, Damage due to cracks and cracks is less likely to occur.

なお、図2B及び図2Cにおいては、テープの成形体を脱脂、還元、及び焼結して得られたテープ状の焼結体14を、長手軸方向に沿って3等分し、且つ長手軸方向に対して垂直方向に10等分して切断することによって、合計30個の直方体形状の熱電半導体材料16を製造した場合の例について示しているが、切断の方法については特に制限はなく、製造する熱電半導体材料の形状に応じて適宜決定することができる。   2B and 2C, the tape-like sintered body 14 obtained by degreasing, reducing, and sintering the tape compact is divided into three equal parts along the longitudinal axis direction, and the longitudinal axis. The example shows a case where a total of 30 rectangular parallelepiped thermoelectric semiconductor materials 16 are manufactured by dividing them into 10 equal parts in a direction perpendicular to the direction, but the cutting method is not particularly limited, It can be determined appropriately according to the shape of the thermoelectric semiconductor material to be manufactured.

また、図3Aに示すように、複数の成形体22を積層して積層体23からなる成形体を作製した場合には、図3B及び図3Cに示すように、これまでに説明した脱脂工程(S4)、還元工程(S5)、及び焼結工程(S6)を経て得られた焼結体24を所定の形状に切断加工して熱電半導体材料26を得る。   In addition, as shown in FIG. 3A, when a plurality of molded bodies 22 are laminated to produce a molded body made of the laminated body 23, as shown in FIGS. 3B and 3C, the degreasing process described so far ( The thermoelectric semiconductor material 26 is obtained by cutting the sintered body 24 obtained through S4), the reduction step (S5), and the sintering step (S6) into a predetermined shape.

ここで、図2B及び図2Cは、本発明の熱電半導体材料の製造方法の一の実施形態における切断加工工程の一例を説明する斜視図であり、図3B及び図3Cは、本発明の熱電半導体材料の製造方法の一の実施形態における切断加工工程の他の例を説明する斜視図である。   Here, FIG. 2B and FIG. 2C are perspective views for explaining an example of the cutting process in one embodiment of the method for producing the thermoelectric semiconductor material of the present invention, and FIG. 3B and FIG. 3C are the thermoelectric semiconductor of the present invention. It is a perspective view explaining the other example of the cutting process in one Embodiment of the manufacturing method of material.

焼結体を切断する方法については特に制限はなく、例えば、ダイサーによるダイシング加工、スライサーによるスライシング加工、ワイヤーソーによるワイヤーソー加工等(機械加工)の他、YAGレーザ、エキシマレーザ等によるレーザ加工、電子ビーム加工等を好適例として挙げることができる。   There is no particular limitation on the method for cutting the sintered body, for example, dicing with a dicer, slicing with a slicer, wire sawing with a wire saw, etc. (machining), laser processing with a YAG laser, excimer laser, etc. An electron beam processing etc. can be mentioned as a suitable example.

[2]熱電半導体材料:
本発明の熱電半導体材料の製造方法によって製造される熱電半導体材料は、インゴットの製造に用いられる原材料の組成を調整することによって、P型熱電半導体材料又はN型熱電半導体材料とすることができる。
[2] Thermoelectric semiconductor material:
The thermoelectric semiconductor material produced by the method for producing a thermoelectric semiconductor material of the present invention can be made into a P-type thermoelectric semiconductor material or an N-type thermoelectric semiconductor material by adjusting the composition of the raw material used for producing the ingot.

このような熱電半導体材料は、ペルチェ効果を利用した電子冷却及びゼーベック効果を利用した熱電発電等に使用される熱電モジュールの熱電素子として利用することができる。具体的に、上記熱電モジュールは、例えば、半導体レーザ等の半導体装置内部の温度調節器、発電装置、小型冷蔵庫等に用いることができる。   Such a thermoelectric semiconductor material can be used as a thermoelectric element of a thermoelectric module used for electronic cooling using the Peltier effect and thermoelectric power generation using the Seebeck effect. Specifically, the thermoelectric module can be used, for example, in a temperature controller, a power generator, a small refrigerator, or the like inside a semiconductor device such as a semiconductor laser.

このような熱電モジュールは、例えば、図4に示すように、P型又はN型の熱電半導体材料である熱電素子102p,102nを、下基板106a及び上基板106bによって挟持して構成された熱電モジュール100である。   For example, as shown in FIG. 4, such a thermoelectric module is configured by sandwiching thermoelectric elements 102p and 102n, which are P-type or N-type thermoelectric semiconductor materials, between a lower substrate 106a and an upper substrate 106b. 100.

P型の熱電素子102p、及びN型の熱電素子102nは、これまでに説明した本発明の熱電半導体材料の製造方法において、各熱電素子となる熱電半導体材料の化学量論比に応じた原材料を用いることによって製造することができる。なお、各熱電素子の上面及び下面には、各基板106との電気的接合を行うために、例えば、Niめっきを施してNiめっき層を形成してもよい。   The P-type thermoelectric element 102p and the N-type thermoelectric element 102n are made of raw materials corresponding to the stoichiometric ratio of the thermoelectric semiconductor material to be each thermoelectric element in the thermoelectric semiconductor material manufacturing method of the present invention described so far. It can be manufactured by using. Note that, for example, Ni plating may be performed on the upper and lower surfaces of each thermoelectric element to form an Ni plating layer in order to perform electrical bonding with each substrate 106.

また、上記下基板106a及び上基板106bは、例えば、図5に示すように、1対のセラミックス基板112(図5においては、1対のセラミックス基板のうち下基板を構成するセラミックス基板を示す)を用意し、これらのセラミックス基板112上の熱電素子搭載部分に電極114を形成し、形成した電極114上に、Niめっき層116を形成することによって製造することができる。なお、上記電極114は、例えば、銅メタライズ等の公知の方法によって形成することができる。   Further, the lower substrate 106a and the upper substrate 106b are, for example, as shown in FIG. 5, a pair of ceramic substrates 112 (in FIG. 5, a ceramic substrate constituting the lower substrate of the pair of ceramic substrates is shown). And the electrode 114 is formed on the thermoelectric element mounting portion on the ceramic substrate 112, and the Ni plating layer 116 is formed on the formed electrode 114. In addition, the said electrode 114 can be formed by well-known methods, such as copper metallization, for example.

ここで、図5は、熱電モジュールに用いられる基板の断面の構成を模式的に示す概略断面図である。   Here, FIG. 5 is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration of a substrate used in the thermoelectric module.

図4に示すような電子モジュール100を製造する際には、まず、下側基板106aの電極上に、P型熱電素子102p及びN型熱電素子102nを交互に載置し、載置したP型熱電素子102p及びN型熱電素子102nのNiめっき層形成面(即ち、熱電素子の下面)と、下側基板106aの電極とを電気的に接合する。   When the electronic module 100 as shown in FIG. 4 is manufactured, first, P-type thermoelectric elements 102p and N-type thermoelectric elements 102n are alternately placed on the electrodes of the lower substrate 106a, and the P-type is placed. The Ni plating layer forming surface of the thermoelectric element 102p and the N-type thermoelectric element 102n (that is, the lower surface of the thermoelectric element) and the electrode of the lower substrate 106a are electrically joined.

次に、P型熱電素子102p及びN型熱電素子102nのNiめっき層が形成された他の面(即ち、熱電素子の上面)に、上基板106bを載置し、載置した上基板106bの電極と、P型熱電素子102p及びN型熱電素子102nのNiめっき層形成面(上面)とを電気的に接合する。このようにして図4に示すような電子モジュール100を製造することができる。なお、電極と熱電素子との電気的接合は、例えば、はんだ付けによって行うことができる。   Next, the upper substrate 106b is placed on the other surface (that is, the upper surface of the thermoelectric element) on which the Ni plating layer of the P-type thermoelectric element 102p and the N-type thermoelectric element 102n is formed. The electrode and the Ni plating layer forming surface (upper surface) of the P-type thermoelectric element 102p and the N-type thermoelectric element 102n are electrically joined. In this way, the electronic module 100 as shown in FIG. 4 can be manufactured. Note that the electrical connection between the electrode and the thermoelectric element can be performed by, for example, soldering.

このような熱電モジュール100は、例えば、下基板106a及び上基板106bの各電極により接続されたP型熱電素子102p及びN型熱電素子102nに電流を流すと、電流はN型熱電素子102n下側から、上基板106bの電極を通ってP型熱電素子102pの下側へ流れる。一方、エネルギーはP型熱電素子102pでは電流と同じ方向に、N型熱電素子102nでは電流と逆の方向へ移動するため、上基板106bの電極側ではエネルギーが不足して温度が低下し、下基板106aの電極側ではエネルギーが放出されて温度が上昇する。   In such a thermoelectric module 100, for example, when a current is passed through the P-type thermoelectric element 102p and the N-type thermoelectric element 102n connected by the electrodes of the lower substrate 106a and the upper substrate 106b, the current is below the N-type thermoelectric element 102n. From the upper substrate 106b to the lower side of the P-type thermoelectric element 102p. On the other hand, energy moves in the same direction as the current in the P-type thermoelectric element 102p, and in the opposite direction to the current in the N-type thermoelectric element 102n. Therefore, the energy is insufficient on the electrode side of the upper substrate 106b, and the temperature decreases. On the electrode side of the substrate 106a, energy is released and the temperature rises.

これまでに説明した本発明の熱電半導体材料の製造方法によって製造された熱電半導体材料は、性能指数Zに優れたものであるため、熱電モジュールの上面と下面とに良好に温度差を生じさせることができる。   Since the thermoelectric semiconductor material manufactured by the manufacturing method of the thermoelectric semiconductor material of the present invention described so far is excellent in the figure of merit Z, it causes a good temperature difference between the upper surface and the lower surface of the thermoelectric module. Can do.

なお、熱電モジュールは、図4に示すような一段の熱電モジュール、即ち、単一平面上に熱電素子が配列した一段モジュールに限定されることはなく、例えば、図示は省略するが、例えば、二段以上にモジュールが積層した多段モジュールであってもよい。   Note that the thermoelectric module is not limited to a one-stage thermoelectric module as shown in FIG. 4, that is, a one-stage module in which thermoelectric elements are arranged on a single plane. A multi-stage module in which modules are stacked in stages or more may be used.

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。また、各実施例及び比較例によって製造された熱電半導体材料(熱電素子)の諸特性の評価方法を以下に示す。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to these Examples. Moreover, the evaluation method of the various characteristics of the thermoelectric semiconductor material (thermoelectric element) manufactured by each Example and the comparative example is shown below.

<性能指数Zの測定>
各実施例及び比較例によって製造された熱電半導体材料(熱電素子)について、ゼーベック係数α(μV/K)、熱伝導率κ(W/mK)、比抵抗ρ(×10−5Ωm)を測定し、上述した式(1)より性能指数Zを算出した。性能指数Zが大きい程、熱電半導体材料として優れている。
<Measurement of figure of merit Z>
For the thermoelectric semiconductor material (thermoelectric element) manufactured by each example and comparative example, the Seebeck coefficient α (μV / K), the thermal conductivity κ (W / mK), and the specific resistance ρ (× 10 −5 Ωm) are measured. And the figure of merit Z was computed from the above-mentioned formula (1). The larger the figure of merit Z is, the better the thermoelectric semiconductor material is.

<歩留りの測定>
各実施例及び比較例によって、長さ6mm、長軸に垂直な断面が縦横2mm正方形の直方体の熱電半導体材料を10個製造し、得られた熱電半導体材料のうち、割れ、欠けが発生した個数を測定した。なお、割れ、欠けとしては、実体顕微鏡にて確認される、0.3mm以上の破損又は欠損部分とした。
<Measurement of yield>
According to each example and comparative example, 10 rectangular parallelepiped thermoelectric semiconductor materials having a length of 6 mm and a cross section perpendicular to the major axis were produced, and among the obtained thermoelectric semiconductor materials, the number of cracks and chips generated. Was measured. In addition, as a crack and a chip | tip, it was set as the damage or defect | deletion part of 0.3 mm or more confirmed with a stereomicroscope.

(実施例1)
まず、P型熱電素子の原材料として、ビスマス(Bi)、テルル(Te)及びアンチモン(Sb)の各粉末を化学量論比がBi0.4Sb1.6Teとなるように秤量した。次に、秤量した原材料を、Ar雰囲気700℃にて溶融させた後、凝固させ、インゴットを作製した。なお、得られたテルル化ビスマスのインゴットの比重は7であった。
(Example 1)
First, bismuth (Bi), tellurium (Te), and antimony (Sb) powders were weighed so that the stoichiometric ratio was Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 as a raw material of the P-type thermoelectric element. Next, the weighed raw materials were melted in an Ar atmosphere at 700 ° C. and then solidified to produce an ingot. The specific gravity of the obtained bismuth telluride ingot was 7.

次に、得られたインゴットを、乳鉢及びボールミルにて粗粉砕し、100メッシュの篩にかけ、粒径が150μm以下となるようにした。その後、シングルノズル式ジェットミル装置(商品名:スターバースト、スギノマシン社製)によって、板状粒子化するように粉砕した。得られた粉砕片を、微粒子除去工程として500メッシュの篩にかけ、メッシュを通らなかった粒子(約20μm以上)を選別して、板状粉砕粒子とした(板状粉砕粒子作製工程(S1))。   Next, the obtained ingot was coarsely pulverized with a mortar and a ball mill and passed through a 100-mesh sieve so that the particle size was 150 μm or less. Then, it grind | pulverized so that it might become plate-shaped particle | grains with the single nozzle type jet mill apparatus (brand name: Starburst, Sugino machine company make). The obtained crushed pieces were passed through a 500 mesh sieve as a fine particle removing step, and particles that did not pass through the mesh (about 20 μm or more) were selected to obtain plate-like crushed particles (plate-like pulverized particle production step (S1)). .

なお、得られた板状粉砕粒子は、長径が20〜70μmの範囲で、且つアスペクト比が3〜20の範囲のものであった。   In addition, the obtained plate-like pulverized particles had a major axis in the range of 20 to 70 μm and an aspect ratio in the range of 3 to 20.

次に、この板状粉砕粒子を用いて、テープ成形用のスラリーを調製した(スラリー調製工程(S2))。具体的には、分散媒としてのトルエン、イソプロパノールを等量混合したものに、上記の板状粉砕粒子と、バインダーとしてポリメタクリル酸n−ブチル(商品名:ハイパール M−6003、根上工業社製)、可塑剤(フタル酸ジ−2−エチルヘキシル(DOP)、黒金化成社製)と、分散剤(商品名:SP−O30、花王社製)とを混合してスラリーを調製した。   Next, a slurry for tape molding was prepared using the plate-like pulverized particles (slurry preparation step (S2)). Specifically, a mixture of equal amounts of toluene and isopropanol as a dispersion medium, and the above plate-like pulverized particles and poly (n-butyl methacrylate) as a binder (trade name: Hyperl M-6003, manufactured by Negami Kogyo Co., Ltd.) A slurry was prepared by mixing a plasticizer (di-2-ethylhexyl phthalate (DOP), manufactured by Kurokin Kasei Co., Ltd.) and a dispersant (trade name: SP-O30, manufactured by Kao Corporation).

各成分の配合処方は、板状粉砕粒子100質量部に対して、分散媒50質量部、バインダー4質量部、可塑剤2質量部、及び分散剤1質量部とした。スラリーの調製の際には、上記割合で混合した混合物を80℃で湯煎した後に、減圧下で撹拌しながら分散媒を揮発させる作業を繰り返し、板状粉砕粒子の体積濃度を35体積%になるようにスラリーを調製した。板状粉砕粒子の体積濃度は、各成分の仕込み量から分散媒の揮発量を差し引いて算出した。   The formulation of each component was 50 parts by mass of the dispersion medium, 4 parts by mass of the binder, 2 parts by mass of the plasticizer, and 1 part by mass of the dispersant with respect to 100 parts by mass of the plate-like pulverized particles. When preparing the slurry, after boiling the mixture mixed at the above ratio at 80 ° C., the process of volatilizing the dispersion medium while stirring under reduced pressure is repeated, so that the volume concentration of the plate-like pulverized particles becomes 35% by volume. A slurry was prepared as follows. The volume concentration of the plate-like pulverized particles was calculated by subtracting the volatilization amount of the dispersion medium from the charged amount of each component.

次に、得られたスラリーをドクターブレード法によってPETフィルムの上にテープ状に成形して成形体を作製した(成形工程(S3))。得られた成形体は、乾燥後の厚さが30μmであった。   Next, the obtained slurry was molded into a tape shape on a PET film by a doctor blade method to produce a molded body (molding step (S3)). The obtained molded body had a thickness of 30 μm after drying.

次に、得られたテープ状の成形体を、直径30mmに打ち抜いたものを100層積層し、加熱圧着し、ペレット(複層の成形体)を作製した。   Next, 100 layers of the obtained tape-shaped molded product punched out to a diameter of 30 mm were laminated and thermocompression bonded to produce a pellet (multi-layer molded product).

次に、得られたペレットを、Ar雰囲気下で、450℃で5時間加熱することによって脱脂した(脱脂工程(S4))。次に、脱脂した脱脂体を水素炉にて、350℃で10時間熱処理して水素還元した(還元工程(S5))。   Next, the obtained pellet was degreased by heating at 450 ° C. for 5 hours in an Ar atmosphere (degreasing step (S4)). Next, the degreased degreased body was heat-treated at 350 ° C. for 10 hours in a hydrogen furnace to reduce the hydrogen (reduction step (S5)).

次に、得られた脱脂還元体を、ホットプレス装置にて、Ar雰囲気下で、450℃で1時間焼結して焼結体を得た(焼結工程(S6))。   Next, the obtained degreased reductant was sintered at 450 ° C. for 1 hour in an Ar atmosphere by a hot press apparatus to obtain a sintered body (sintering step (S6)).

次に、得られた焼結体の積層面に平行な表面(上下面)を研磨して、厚さを2mmとした。その後、ダイサーにて、長さ6mm、長軸に垂直な断面が縦横2mm正方形の直方体に切断して熱電半導体材料(熱電素子)を製造した(切断加工工程(S7))。   Next, the surfaces (upper and lower surfaces) parallel to the laminated surface of the obtained sintered body were polished to a thickness of 2 mm. Thereafter, a thermoelectric semiconductor material (thermoelectric element) was produced by cutting into a rectangular parallelepiped having a length of 6 mm and a cross section perpendicular to the major axis of 2 mm in length and breadth with a dicer (cutting step (S7)).

得られた熱電半導体材料の性能指数Zを測定した。また、熱電半導体材料を10個製造し、上述した歩留りの測定を行った。熱電半導体材料の性能指数Z、及び歩留りの測定結果を表1に示す。   The figure of merit Z of the obtained thermoelectric semiconductor material was measured. Moreover, ten thermoelectric semiconductor materials were manufactured, and the above-described yield measurement was performed. Table 1 shows the performance index Z of the thermoelectric semiconductor material and the measurement results of the yield.

Figure 2009289911
Figure 2009289911

(実施例2)
スラリー調製工程(S2)において、板状粉砕粒子の体積濃度を30体積%になるようにスラリーを調製したこと以外は、実施例1と同様の方法によって熱電半導体材料を製造した。
(Example 2)
In the slurry preparation step (S2), a thermoelectric semiconductor material was produced in the same manner as in Example 1 except that the slurry was prepared so that the volume concentration of the plate-like pulverized particles was 30% by volume.

(実施例3)
スラリー調製工程(S2)において、板状粉砕粒子の体積濃度を40体積%になるようにスラリーを調製したこと以外は、実施例1と同様の方法によって熱電半導体材料を製造した。
(Example 3)
In the slurry preparation step (S2), a thermoelectric semiconductor material was produced by the same method as in Example 1 except that the slurry was prepared so that the volume concentration of the plate-like pulverized particles was 40% by volume.

(実施例4)
実施例1と同様に作製された板状粉砕粒子100質量部と、分散媒としてのトリアセチン及び有機二塩基酸エステルの混合物(混合比が1:9)20質量部と、分散剤としてのポリカルボン酸系共重合体3質量部とを、ボールミルを用いて3時間混合し、スラリーの前駆体を作製した。
Example 4
100 parts by mass of plate-like pulverized particles prepared in the same manner as in Example 1, 20 parts by mass of a mixture of triacetin and organic dibasic acid ester as a dispersion medium (mixing ratio 1: 9), and polycarboxylic acid as a dispersant 3 parts by mass of an acid copolymer was mixed for 3 hours using a ball mill to prepare a slurry precursor.

次に、このスラリーの前駆体に、バインダーとして、イソシアネート及びポリオールから生成され、且つ、イソシアネートに対するポリオールの官能基比率(即ち、イソシアネート基に対する水酸基のモル比率)が2/11.5となり、更に繰り返し単位分子量が290となるウレタン樹脂を7質量部、イソシアネート及びポリオールを混合した。   Next, the slurry precursor is produced from an isocyanate and a polyol as a binder, and the functional group ratio of the polyol to the isocyanate (that is, the molar ratio of the hydroxyl group to the isocyanate group) is 2 / 11.5, and further repeated. 7 parts by mass of a urethane resin having a unit molecular weight of 290, an isocyanate and a polyol were mixed.

イソシアネートとしては、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートを用い、ポリオールとしては、トリアセチン及び有機二塩基酸エステルの混合物(混合比が1:9の溶媒)にポリビニルブチラールを10質量%溶解した溶解液を用いた。   As the isocyanate, 4,4′-diphenylmethane diisocyanate was used, and as the polyol, a solution obtained by dissolving 10% by mass of polyvinyl butyral in a mixture of triacetin and organic dibasic acid ester (a solvent having a mixing ratio of 1: 9) was used. It was.

更に、このスラリーの前駆体に、触媒として6−ジメチルアミノ−1−ヘキサノール0.05質量部を混合し、その混合物を真空脱泡して、スラリーを調製した。調製したスラリーの仕込み量から計算されるスラリー中の板状粉砕粒子の濃度は40体積%であった。   Furthermore, 0.05 parts by mass of 6-dimethylamino-1-hexanol as a catalyst was mixed with the precursor of the slurry, and the mixture was vacuum degassed to prepare a slurry. The concentration of the plate-like pulverized particles in the slurry calculated from the amount of the prepared slurry charged was 40% by volume.

得られたスラリーをドクターブレード法によってPETフィルムの上にシート状に成形し、シート成形の成形機内にて、加熱により40℃で2時間に亘って固化乾燥した。その後、室内にて、常温で12時間に亘って更に固化乾燥し、厚さ60μmの成形体を得た。   The obtained slurry was formed into a sheet on a PET film by the doctor blade method, and solidified and dried at 40 ° C. for 2 hours by heating in a sheet forming machine. Thereafter, it was further solidified and dried in a room at room temperature for 12 hours to obtain a molded body having a thickness of 60 μm.

次に、得られたテープ状の成形体を、直径30mmに打ち抜いたものを50層積層し、加熱圧着し、ペレット(複層の成形体)を作製した。   Next, 50 layers of the obtained tape-shaped molded product punched out to a diameter of 30 mm were laminated and thermocompression bonded to produce a pellet (multi-layer molded product).

得られたペレット(複層の成形体)を、実施例1と同様の方法によって、脱脂、還元、焼結、切断して、長さ6mm、長軸に垂直な断面が縦横2mm正方形の直方体に切断して熱電半導体材料(熱電素子)を製造した。   The obtained pellet (multi-layered molded product) was degreased, reduced, sintered and cut in the same manner as in Example 1 to obtain a rectangular parallelepiped having a length of 6 mm and a cross section perpendicular to the major axis of 2 mm in length and width. The thermoelectric semiconductor material (thermoelectric element) was manufactured by cutting.

(比較例1)
スラリー調製工程(S2)において、板状粉砕粒子の体積濃度を20体積%になるようにスラリーを調製したこと以外は、実施例1と同様の方法によって熱電半導体材料を製造した。
(Comparative Example 1)
In the slurry preparation step (S2), a thermoelectric semiconductor material was produced by the same method as in Example 1 except that the slurry was prepared so that the volume concentration of the plate-like pulverized particles was 20% by volume.

(比較例2)
比較例2においては、従来の熱間すえこみ鍛造による熱間塑性加工(熱間押出)によって熱電半導体材料を製造した。まず、実施例1と同様に作製された板状粉砕粒子を還元処理し、この板状粉砕粒子をペレット上に一軸成形した後、Ar雰囲気下で、500℃、40MPaの条件でホットプレスした。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a thermoelectric semiconductor material was manufactured by hot plastic working (hot extrusion) by conventional hot upset forging. First, plate-like pulverized particles produced in the same manner as in Example 1 were subjected to reduction treatment, and the plate-like pulverized particles were uniaxially formed on pellets, and then hot pressed under conditions of 500 ° C. and 40 MPa in an Ar atmosphere.

上記ホットプレスの後、一軸成形した成形体を熱間押出した。熱間押出に使用した金型は、焼結体投入側が直径30mmの円柱状で、押出側が直径6mmの円柱状、その間はテーパー角45度のものである。熱間押出は、金型を450℃に保ち、Ar雰囲気下で押し出しを行った。   After the hot pressing, the uniaxially formed compact was hot extruded. The mold used for the hot extrusion has a cylindrical shape with a diameter of 30 mm on the sintered body input side and a cylindrical shape with a diameter of 6 mm on the extrusion side, and a taper angle of 45 degrees therebetween. In the hot extrusion, the mold was kept at 450 ° C. and extruded in an Ar atmosphere.

得られた焼結押出体を、押し出し方向に長さ6mmとなるように切断し、更に押し出し方向に垂直な断面が縦横2mm正方形となるようにダイサーにて切断して熱電半導体材料を製造した。   The obtained sintered extrudate was cut so as to have a length of 6 mm in the extrusion direction, and further cut with a dicer so that the cross section perpendicular to the extrusion direction was a square of 2 mm in length and breadth to produce a thermoelectric semiconductor material.

実施例2〜4、及び比較例1、2の各熱電半導体材料について性能指数Zを測定した。また、各実施例及び比較例において、熱電半導体材料を10個製造し、上述した歩留りの測定を行った。熱電半導体材料の性能指数Z、及び歩留りの測定結果を表1に示す。   The figure of merit Z was measured for each of the thermoelectric semiconductor materials of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 and 2. In each example and comparative example, ten thermoelectric semiconductor materials were manufactured, and the above-described yield measurement was performed. Table 1 shows the performance index Z of the thermoelectric semiconductor material and the measurement results of the yield.

(結果)
所定の板状粉砕粒子を特定の体積割合で含有するスラリーをテープ成形して成形体を得、脱脂、還元、焼成、切断の各工程を経て製造された熱電半導体材料(実施例1〜4)は、性能指数Zが熱間押出を用いた従来の製造方法(比較例2)と同程度であるとともに、熱電半導体材料のクラックの発生が抑制されていた。特に、バインダーとして、熱ゲル化特性又は熱硬化特性を有する物質を用いた実施例4にて得られた熱電半導体材料は、性能指数Zに優れるとともに、割れ、欠けも確認されなかった(歩留り向上)。
(result)
Thermoelectric semiconductor material manufactured by tape molding a slurry containing predetermined plate-like pulverized particles at a specific volume ratio, and obtained through degreasing, reduction, firing, and cutting steps (Examples 1 to 4) The performance index Z is comparable to that of the conventional manufacturing method using hot extrusion (Comparative Example 2), and the generation of cracks in the thermoelectric semiconductor material was suppressed. In particular, the thermoelectric semiconductor material obtained in Example 4 using a substance having a thermal gelation property or a thermosetting property as a binder was excellent in the figure of merit Z, and cracks and chips were not confirmed (yield improvement) ).

比較例1においては、板状粉砕粒子の体積割合が30体積%未満(具体的には、20体積%)であったため、熱電半導体材料の性能指数Zが低くなっていた。また、比較例2においては、熱間押出によって成形体が形成されるため、熱電半導体材料に押出時の応力が残留し、割れ、欠けが多く発生していた。   In Comparative Example 1, the performance index Z of the thermoelectric semiconductor material was low because the volume ratio of the plate-like pulverized particles was less than 30% by volume (specifically, 20% by volume). Further, in Comparative Example 2, since a molded body was formed by hot extrusion, stress during extrusion remained in the thermoelectric semiconductor material, and many cracks and chips were generated.

本発明の熱電半導体材料の製造方法は、性能の高い熱電半導体材料を製造する方法として利用することができる。本発明の熱電半導体材料の製造方法によって得られる熱電半導体材料は、例えば、小型冷蔵庫、半導体レーザ等の半導体装置内部の温度調節器及び発電装置等に利用することができる。   The method for producing a thermoelectric semiconductor material of the present invention can be used as a method for producing a thermoelectric semiconductor material having high performance. The thermoelectric semiconductor material obtained by the method for producing a thermoelectric semiconductor material of the present invention can be used for, for example, a temperature controller inside a semiconductor device such as a small refrigerator or a semiconductor laser, a power generator, and the like.

本発明の熱電半導体材料の製造方法の一の実施形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows one Embodiment of the manufacturing method of the thermoelectric-semiconductor material of this invention. 本発明の熱電半導体材料の製造方法の一の実施形態における成形工程の一例を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining an example of the shaping | molding process in one Embodiment of the manufacturing method of the thermoelectric-semiconductor material of this invention. 本発明の熱電半導体材料の製造方法の一の実施形態における切断加工工程の一例を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining an example of the cutting process in one Embodiment of the manufacturing method of the thermoelectric-semiconductor material of this invention. 本発明の熱電半導体材料の製造方法の一の実施形態における切断加工工程の一例を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining an example of the cutting process in one Embodiment of the manufacturing method of the thermoelectric-semiconductor material of this invention. 本発明の熱電半導体材料の製造方法の一の実施形態における成形工程の他の例を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the other example of the formation process in one Embodiment of the manufacturing method of the thermoelectric-semiconductor material of this invention. 本発明の熱電半導体材料の製造方法の一の実施形態における切断加工工程の他の例を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the other example of the cutting process in one Embodiment of the manufacturing method of the thermoelectric-semiconductor material of this invention. 本発明の熱電半導体材料の製造方法の一の実施形態における切断加工工程の他の例を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the other example of the cutting process in one Embodiment of the manufacturing method of the thermoelectric-semiconductor material of this invention. 熱電半導体材料を用いた熱電モジュールを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view showing typically a thermoelectric module using a thermoelectric semiconductor material. 熱電モジュールに用いられる基板の断面の構成を模式的に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows typically the structure of the cross section of the board | substrate used for a thermoelectric module.

符号の説明Explanation of symbols

12:成形体、14:焼結体、16:熱電半導体材料、22:成形体、23:積層体、24:焼結体、26:熱電半導体材料、100:熱電モジュール、102n:熱電素子(N型熱電素子)、102p:熱電素子(P型熱電素子)、106:基板、106a:下基板、106b:上基板、112:セラミックス基板、114:電極、116:Niめっき層。 12: Molded body, 14: Sintered body, 16: Thermoelectric semiconductor material, 22: Molded body, 23: Laminated body, 24: Sintered body, 26: Thermoelectric semiconductor material, 100: Thermoelectric module, 102n: Thermoelectric element (N Type thermoelectric element), 102p: thermoelectric element (P type thermoelectric element), 106: substrate, 106a: lower substrate, 106b: upper substrate, 112: ceramic substrate, 114: electrode, 116: Ni plating layer.

Claims (6)

熱電半導体の原材料からなり、比重が5以上のインゴットを粉砕して、前記原材料の特定の結晶面を表面に有する板状の板状粉砕粒子を得る板状粉砕粒子作製工程と、
得られた前記板状粉砕粒子と、バインダーと、分散媒とを混合して、前記板状粉砕粒子の体積割合が30体積%以上となるスラリーを調製するスラリー調製工程と、
得られた前記スラリーを、テープ状に成形して成形体を得る成形工程と、
得られた前記成形体を、不活性雰囲気で熱処理して、脱脂体を得る脱脂工程と、
得られた前記脱脂体を還元処理して脱脂還元体を得る還元工程と、
得られた前記脱脂還元体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、
得られた前記焼結体を切断加工して熱電半導体材料を得る切断加工工程と、を含む熱電半導体材料の製造方法。
A plate-like pulverized particle production step of obtaining a plate-like pulverized particle having a specific crystal face of the raw material by pulverizing an ingot having a specific gravity of 5 or more, comprising a raw material of a thermoelectric semiconductor;
A slurry preparation step of mixing the obtained plate-like pulverized particles, a binder, and a dispersion medium to prepare a slurry in which the volume ratio of the plate-like pulverized particles is 30% by volume or more,
A molding step of molding the obtained slurry into a tape shape to obtain a molded body; and
A degreasing step of heat-treating the obtained molded body in an inert atmosphere to obtain a degreased body;
A reduction step of reducing the obtained defatted body to obtain a defatted reduced body;
Sintering the obtained degreased reductant to obtain a sintered body;
A cutting process step of cutting the obtained sintered body to obtain a thermoelectric semiconductor material. A method for producing a thermoelectric semiconductor material.
前記原材料として、少なくともテルル及びビスマスを用いる請求項1に記載の熱電半導体材料の製造方法。   The method for producing a thermoelectric semiconductor material according to claim 1, wherein at least tellurium and bismuth are used as the raw material. 前記焼結工程において、ホットプレスにより前記脱脂還元体を焼結する請求項1又は2に記載の熱電半導体材料の製造方法。   The method for producing a thermoelectric semiconductor material according to claim 1 or 2, wherein in the sintering step, the degreased reductant is sintered by hot pressing. 前記板状粉砕粒子は、長径が20〜70μmであり、アスペクト比が3〜20の粒子である請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱電半導体材料の製造方法。   The method for producing a thermoelectric semiconductor material according to any one of claims 1 to 3, wherein the plate-like pulverized particles are particles having a major axis of 20 to 70 µm and an aspect ratio of 3 to 20. 前記バインダーとして、熱ゲル化特性又は熱硬化特性を有する物質を用いる請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱電半導体材料の製造方法。   The manufacturing method of the thermoelectric-semiconductor material as described in any one of Claims 1-4 which uses the substance which has a thermogelling characteristic or a thermosetting characteristic as the said binder. 前記成形工程において、テープ状に成形した前記成形体を複数作製し、複数の前記成形体を積層して、前記成形体の積層体を得る請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱電半導体材料の製造方法。   The thermoelectric device according to any one of claims 1 to 5, wherein in the molding step, a plurality of the molded bodies molded into a tape shape are produced, and the plurality of molded bodies are laminated to obtain a laminate of the molded bodies. Manufacturing method of semiconductor material.
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