JP4601206B2

JP4601206B2 - 熱電素子の製造方法

Info

Publication number: JP4601206B2
Application number: JP2001149147A
Authority: JP
Inventors: 健一田島; 広一田中; 正人福留; 和博西薗
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2021-05-18
Also published as: JP2002344034A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電素子の製造方法、特に熱電特性に優れ、且つ特性の安定した熱電素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、ペルチェ効果を利用した熱電素子は、熱電モジュールとしてレーザーダイオードの温度制御、恒温槽あるいは冷蔵庫における冷却に多用されている。この室温付近で使用される冷却用熱電モジュールには、冷却特性が優れるという観点からＢｉ₂Ｔｅ₃（テルル化ビスマス）からなる熱電素子が一般的に用いられている。
【０００３】
さらに、熱電素子はｐ型およびｎ型を対にして用いる必要があり、ｐ型にはＢｉ₂Ｔｅ₃とＳｂ₂Ｔｅ₃（テルル化アンチモン）との固溶体が、ｎ型にはＢｉ₂Ｔｅ₃とＢｉ₂Ｓｅ₃（セレン化ビスマス）との固溶体が特に優れた性能を示すことから、このＡ₂Ｂ₃型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）が冷却用熱電モジュール用熱電素子として広く用いられている。
【０００４】
このようなモジュールとして用いられる熱電素子の形状は、数ｍｍ角と小さいため、加工時等の応力に対する強度を保たせるためにホットプレス等により作製されている。しかし、ホットプレスによって作製した焼結体中に原料粉末中に含まれる酸素が残留し、上記Ａ₂Ｂ₃型結晶からなる熱電素子の電気特性を劣化させてしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＳｂ元素からなる群より選択される少なくとも２種類以上の元素を含有した熱電変換材料を成形し、しかる後に仮焼して得られた仮焼体を焼成前に水素を含む還元雰囲気で熱処理して不純物酸素を除去することによって、熱電特性を改善することが特開平９−１８０６０号公報に記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９−１８０６０号公報号公報の方法では、熱電素子の熱電特性の最大値は改善できるものの十分ではなく、また、作製したロット間において、或いは同一ロットでも試料間において熱電特性の最大値と最小値の相違が大きく、ばらつくという問題があった。
【０００７】
従って、本発明は、熱電特性に優れ、かつ特性のばらつきの小さい熱電素子を作製する方法を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記原料粉末及び／又は前記成形体をＴｅ粉末が配設された水素気流中で熱処理した後に焼成することで、高い性能指数を実現し、特性のばらつきを抑えることができるという知見に基づくものである。
【０００９】
即ち、本発明の熱電素子の製造方法は、Ｂｉ，Ｓｂ，Ｓｅの少なくとも１つと、Ｔｅとを含む原料粉末又は成形体を焼成して、性能指数が３．０×１０^−３／Ｋ以上の焼結体を作製する熱電素子の製造方法において、前記原料粉末及び／又は前記成形体をＴｅ粉末が配設された水素気流中で熱処理し、しかる後に焼成することを特徴とするものである。この熱処理により、原料粉末中のＴｅの揮発が抑制され、調合時の組成からのずれを防止できるため、性能指数を高めるとともに、特性のばらつきを抑制することができる。
【００１０】
特に、前記成形体を作製する前に、予め前記原料粉末の累積重量比５０％における平均粒子径（Ｄ５０）が０．５〜１０μｍ、累積重量比９０％における粒子径（Ｄ９０）が０．７〜２０μｍ、粒子径比Ｄ９０／Ｄ５０が１．２〜４．０になるように粉砕することが好ましい。これにより、原料粉末を均一、且つ微細にできるため、焼結性を高め、より低い温度において焼成しやすくなるとともに、得られた焼結体中の結晶粒径の平均長軸径を１０μｍ以下と小さくできるため、性能指数をさらに高めることができる。
【００１１】
また、前記原料粉末を、窒化珪素製ボールを用いて粉砕することが好ましい。これにより、原料粉末に混入する不純物を抑制し、より高い性能指数を実現し、特性のばらつきを更に低く抑えられる。
【００１２】
さらに、前記原料粉末を、パルス通電焼結法、ホットプレス法、ガス圧焼結法、熱間等方加圧焼結法のうち少なくとも１種を用いて焼成することが好ましい。これらの焼結方法によれば、短時間で焼成できるために粒子の粒成長を抑え、粒子の均一化が図れるため、熱電特性を改善できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の熱電素子の製造方法は、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅのうち少なくとも２種を含む原料を用いることが重要であり、例えば、上記の金属を用いても良いが、Ａ₂Ｂ₃型金属間化合物を用いることが好ましい。ここで、ＡがＢｉ及び／又はＳｂ、ＢがＴｅ及び／又はＳｅ型からなる半導体結晶であって、特に組成比Ｂ／Ａが１．４〜１．６であることが、室温における熱電特性を高めるために好ましい。
【００１４】
Ａ₂Ｂ₃型金属間化合物としては、公知であるＢｉ₂Ｔｅ₃、Ｓｂ₂Ｔｅ₃、Ｂｉ₂Ｓｅ₃の少なくとも１種であることが好ましく、固溶体としてＢｉ₂Ｔｅ₃とＢｉ₂Ｓｅ₃の固溶体であるＢｉ₂Ｔｅ_3-xＳｅ_x（ｘ＝０．０５〜０．２５）、又はＢｉ₂Ｔｅ₃とＳｂ₂Ｔｅ₃の固溶体であるＢｉ_xＳｂ_2-xＴｅ₃（ｘ＝０．１〜０．６）等を例示できる。
【００１５】
また、金属間化合物を効率よく半導体化するために、不純物をドーパントとして添加することができる。例えば、原料粉末にＩ、Ｃｌ及びＢｒ等のハロゲン元素を含む化合物を含有せしめることにより、ｎ型半導体を製造することができる。例えば、ＡｇＩ、ＣｕＢｒ、ＳｂＩ₃、ＳｂＣｌ₃、ＳｂＢｒ₃、ＨｇＢｒ₂等を加えることにより、金属間化合物半導体中のキャリア濃度を調整することができ、その結果、熱電特性を高めることが可能となる。
【００１６】
なお、ｐ型半導体を製造する場合には、キャリア濃度調整のためにＴｅを添加することができ、ｎ型半導体と同様に、熱電特性を高めることができる。
【００１７】
また、本発明の熱電素子の製造方法に用いられる原料粉末は、累積重量比５０％における平均粒子径（Ｄ５０）が０．５〜１０μｍであることが好ましい。これは、０．５μｍ未満ではコストが高くなり易く、また、１０μｍを超えると熱伝導率が高くなって性能指数が低下する傾向があるためである。
【００１８】
また、累積重量比９０％における粒子径（Ｄ９０）が０．７〜２０μｍ、粒子径比Ｄ９０／Ｄ５０が１．２〜４．０であることが好ましい。このように粒子径を制御することにより、性能指数を最適化することができる。
【００１９】
なお、この累積重量比は粉末の粒度分布をレーザー回折法等によって測定するときに求められる値であり、結晶粒子のうちその粒子径が小さいものから積算して重量比５０％のときの平均粒子径をＤ５０、９０％のときの平均粒子径をＤ９０としている。
【００２０】
本発明によれば、上記のような原料粉末を得るためには、粒子径の大きい市販粉末を分級しても良いが、市販粉末を所望の組成に調合し、有機溶媒を加え、窒化珪素製ボール等の高硬度、高靭性のセラミック粉砕用ボールを用いて粉砕させることで、本発明で使用する粉末を容易に得られる。
【００２１】
この粉砕には、振動ミル、バレルミル又は回転ボールミルで窒化珪素製ボールを使用することが好ましい。粉砕に用いる容器としては、ポリエチレン製等の樹脂ポット又は樹脂の内張りを有するセラミックポット等を用い、ボールとして窒化珪素製ボールを使用することで粉砕時に混入する不純物量を５００ｐｐｍ以下、特に１００ｐｐｍ以下、更には５０ｐｐｍ以下にまで削減することも可能で、不純物混入による特性低下を防ぎ、更に優れた熱電特性の実現が容易になる。
【００２２】
粉砕に用いる有機溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール、ヘキサン等で良いが、これらの中でも、粉砕効率及びコストの面で、イソプロパノールが好適である。
【００２３】
次いで、所望により上記の粉末を成形し、成形体を作製する。成形は、金型プレス法、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ法）、ドクターブレード法、カレンダーロール法、圧延法、押し出し成形法、鋳込み成形法、射出成形法等の周知の成形方法を用いることができる。これらの中で、特に金型プレス法、ＣＩＰ法が簡便性と量産性の点で好ましい。なお、成形時に高磁場を印加して結晶配向させることも有効である。
【００２４】
本発明によれば、原料粉末からなる成形体を焼成に先立って水素気流中で熱処理することが重要である。この熱処理は、例えば原料粉末を匣鉢に入れ、その匣鉢の周囲にＴｅ粉末を配設し、水素気流中で加熱する。このような熱処理は、水素ガスにより粉末表面の不純物酸素を除去する効果があり、焼成によって得られた焼結体中に比抵抗の高い酸化物を減少することができるため、焼結体の比抵抗を低くし、性能特性を高めることができる。
【００２５】
そして、Ｔｅ粉末を原料粉末と共に加熱炉に配設することで、原料中のＴｅの分解を抑制して原料のＢｉ／Ｔｅ組成比が変化せずに維持され、その結果、特性ばらつきを低減することができる。なお、Ｔｅ粉末は、単独でも、他の原料組成中の金属粉末との混合でもかまわない。例えば、成形体を熱処理する場合、成形体と同一の組成から成る粉末の中に成形体を埋めて加熱してもよい。
【００２６】
この熱処理は温度３５０〜４５０℃が好ましく、特に３７５〜４２５℃、更には３９０〜４１０℃であると粉末の表面エネルギーが大きい微粉末が焼結し、特に微粉末を多く含む粉末の場合、Ｄ９０／Ｄ５０比を小さくすることができ、より安定した熱電素子を得ることができる。
【００２７】
また、熱処理は熱処理条件にもよるが、原料粉末の表面に存在する酸素を十分に除去するため、熱処理は１時間以上行うことが好ましい。
【００２８】
次いで、成形体を焼成するが、本発明によればこの焼結は、前記原料粉末を、パルス通電焼結法（ＰＥＣＳ）、ホットプレス（ＨＰ）、ガス圧焼結（ＧＰＳ）、熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）のうち少なくとも１種を用いて焼成することが好ましい。これらの焼成が短時間で終了するため、焼結中の粒成長を抑え、微細で均一な結晶組織を実現してより熱電特性を改善するためであり、特にＰＥＣＳ、ＨＰがより簡便に、より緻密な焼結体を得る点で好ましく、更にはＰＥＣＳで行うと焼結時間が昇温を含め３０分以内で完了するため組織制御が容易で、より優れた特性が得られる点でＰＥＣＳが好ましい。
【００２９】
焼成温度は、融点（Ｔ）よりも１５０℃程度低い温度範囲、特に（Ｔ−１２０℃）〜（Ｔ−２０℃）の温度範囲が好ましい。例えばＢｉ₂Ｔｅ₃であれば４００〜５００℃程度、Ｂｉ_0.5Ｓｂ_1.5Ｔｅ₃であれば４００〜４８０℃程度が望ましい。
【００３０】
このように作製した熱電素子は、平均長軸径１０μｍ以下の微細な結晶を有する焼結体からなり、３．０×１０^-3／Ｋ以上、特に４×１０^-3／Ｋ以上、さらには４．５×１０^-3／Ｋ以上、より好適には５×１０^-3／Ｋ以上、更に好適には５．５×１０^-3／Ｋ以上の優れた熱電特性を示す。
【００３１】
なお、性能指数（Ｚ）とは、ゼーベック係数をＳ、抵抗率をρ、熱伝導率をｋとしたとき、Ｚ＝Ｓ²／ρｋで定義されるもので、熱電素子を冷却素子あるいは発電素子として用いる場合の効率を示すものである。
【００３２】
本発明の製造方法により作製した熱電素子は、熱電モジュールに使用することにより、冷却特性の高い冷却部品を実現でき、レーザーダイオード冷却用等として使用できる。
【００３３】
【実施例】
純度９９．９９％以上のＢｉ₂Ｔｅ₃粉末、Ｓｂ₂Ｔｅ₃粉末及びドーパントとしてＳｂＩ₃粉末を準備した。ｎ型素子原料としてＢｉ₂Ｔｅ₃粉末１００重量部に対してＳｂＩ₃粉末０．１重量部の割合で調合した。また、ｐ型素子原料としてＢｉ₂Ｔｅ₃粉末２０モル％、ＳｂＴｅ₃粉末８０モル％の割合で調合した。
【００３４】
上記の原料をそれぞれポリエチレン製ポットに入れ、イソプロパノールと窒化珪素ボールを加えて、振動ミルにより２０時間粉砕した。得られたスラリーを取り出し、乾燥後、４０メッシュにて篩通しし、焼結前粉末を得た。なお、原料粉末同士はモル比で調合し、ドーパントは原料粉末全体と重量比で添加した。得られた粉末の粒度分布はレーザー回折法で求め、Ｄ５０、Ｄ９０およびＤ９０／Ｄ５０を求めた。
【００３５】
上記の粉末を表１に示す条件で熱処理した後、カーボン型に充填し、ホットプレス法（ＨＰ）は温度４５０℃、加圧圧力５０ＭＰａで、パルス通電焼結法（ＰＥＣＳ）は温度４２０℃、加圧圧力５０ＭＰａで焼成した。また、上記粉末をプレス圧１５０ＭＰａで直径２０ｍｍ、厚み１５ｍｍに成形し、成形体を表１に示す条件で熱処理した後、試料Ｎｏ．２１は、温度５００℃、圧力０．９ＭＰａのＡｒ雰囲気でガス圧焼結法（ＧＰＳ）により、試料Ｎｏ．２２は、温度５００℃、圧力１００ＭＰａで熱間等方加圧焼結法（ＨＩＰ）により焼成した。
【００３６】
焼結体は成形時のプレス方向に対して垂直な方向に対して熱伝導率、ゼーベック係数及び抵抗率を測定するために、それぞれ測定試料を作製した。熱伝導率測定には、直径１０ｍｍ、厚み１ｍｍの円板試料を、ゼーベック係数、抵抗率測定には縦４ｍｍ、横４ｍｍ、長さ１５ｍｍの角柱試料を作製した。
【００３７】
熱伝導率はレーザーフラッシュ法により、ゼーベック係数、比抵抗は真空理工社製熱電能評価装置により、それぞれ２０℃の条件下で測定した。
【００３８】
なお、熱電性能指数Ｚは、式Ｚ＝Ｓ²／ρｋ（Ｓはゼーベック係数、ρは抵抗率、ｋは熱伝導率である）より算出した。また、ばらつきは、最大値と最小値の差を平均値で割った値をパーセントで表した。結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】

【００４０】
Ｔｅ粉末と共に熱処理した本発明の試料Ｎｏ．１〜１２及び１４〜２０は、いずれも、性能指数の平均値が４．１３×１０^-3／Ｋ以上、そのばらつきが４０％以下であった。
【００４１】
一方、Ｔｅ粉末を用いないで熱処理した本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１３は、性能指数の平均値が１．１８×１０^-3／Ｋ、そのばらつきが７０％であった。
【００４２】
また、熱処理を行わなかった本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２１は、性能指数の平均値が２．７６×１０^-3／Ｋ、そのばらつきが７５％であった。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、原料粉末又は成形体を焼成する前にＴｅ粉末が配設された水素気流中で熱処理することによって、原料粉末の表面に存在する酸素を効率よく除去でき、その結果、性能指数を改善するとともに、酸素含有量のばらつきによって生じていた特性ばらつきを低減することができた。

Claims

Ｂｉ，Ｓｂ，Ｓｅの少なくとも１つと、Ｔｅとを含む原料粉末又は成形体を焼成して、性能指数が３．０×１０^−３／Ｋ以上の焼結体を作製する熱電素子の製造方法において、
前記原料粉末及び／又は前記成形体をＴｅ粉末が配設された水素気流中で熱処理し、しかる後に焼成することを特徴とする熱電素子の製造方法。
前記成形体を作製する前に、予め前記原料粉末の累積重量比５０％における平均粒子径（Ｄ５０）が０．５〜１０μｍ、累積重量比９０％における粒子径（Ｄ９０）が０．７〜２０μｍ、粒子径比Ｄ９０／Ｄ５０が１．２〜４．０になるように粉砕することを特徴とする請求項１に記載の熱電素子の製造方法。
前記原料粉末を、窒化珪素製ボールを用いて粉砕することを特徴とする請求項２に記載の熱電素子の製造方法。
前記原料粉末を、パルス通電焼結法、ホットプレス法、ガス圧焼結法、熱間等方加圧焼結法のうち少なくとも１種を用いて焼成することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の熱電素子の製造方法。