JP6156541B2 - 熱電素子用組成物 - Google Patents
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Description
本発明は、熱電発電などに用いて好適な熱電素子用組成物に関する。
近年、ゼーベック効果を応用した熱電発電が広く利用されている。熱電発電は、熱電素子の両側に温度差を与え、ゼーベック効果による起電力を発生させて発電を行う。
熱電素子を評価する指標として、性能指数Ｚがある。Ｚは、ゼーベック係数α、比抵抗ρおよび熱伝導率κを用いて、Ｚ＝α２／κρと表される。Ｚは大きいほど好ましいため、熱電素子は、熱を伝えにくく、電気伝導性が良く、起電力の大きい材料で構成されることが望ましい。
熱電素子に用いられる材料は、使用される温度により異なっており、たとえば８００℃以上の高温域では、熱的特性に優れる酸化物などの半導体セラミックス系の材料が用いられている。高温域で用いられる材料としては、たとえば特許文献１にも記載されているように、ＣａＭｎＯ３が挙げられる。
また、熱電素子は、ゼーベック効果により電力を発生させるための最小単位であり、複数の熱電素子をコネクタとしての導体を介して直列に接続することにより、熱電モジュールとされ、高出力を得ることができる。
このような熱電モジュールの使用時には、異材質である熱電素子と導体とが、使用温度、たとえば８００℃に加熱されるため、両者の線膨張率が大きく異なると、モジュールにクラック等の構造欠陥が生じることがある。そのため、熱電モジュールには、性能指数Ｚを向上させつつ、上記の構造欠陥を抑制することが求められていた。
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、良好な熱電性能を有しつつ、構造欠陥も抑制された熱電素子用組成物を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る熱電素子用組成物は、ＣａおよびＭｎを有し、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物であって、ＣａとＭｎとのモル比を示すＣａ／Ｍｎが１．０００２〜１．１９７８であることを特徴とする。
通常、上記の複合酸化物において、Ｃａ／Ｍｎは１．００００、すなわち、ＣａとＭｎとが等モル含まれている。しかしながら、本発明では、Ｃａ／Ｍｎを上記の範囲とすることで、該組成物の使用温度域における熱電性能を向上させることができる。
しかも、該組成物を有する熱電素子を用いた熱電モジュールは構造欠陥が抑制されているため、高い信頼性を有している。
好ましくは、熱電素子用組成物が、Ｙ、Ｎｄ、Ｔａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｏ、Ｖ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｃｕからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素を有し、ＣａとＭｎとの合計２．００００モルに対する元素の置換量が０．３モル以下である。
Ｃａおよび／またはＭｎの一部を、上記の元素が特定の範囲で置換することで、上述した効果をより高めることができる。
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
（熱電モジュール２）
図１に示すように、本実施形態では、熱電モジュール２は、熱電素子としての複数の半導体素子４と、高抵抗層６と、内部導体層８と、取り出し電極１０、１２と、を有する。また、本実施形態では、熱電モジュールにおいて、半導体素子として、全てｎ型の半導体素子を用いている。
図１に示すように、本実施形態では、熱電モジュール２は、熱電素子としての複数の半導体素子４と、高抵抗層６と、内部導体層８と、取り出し電極１０、１２と、を有する。また、本実施形態では、熱電モジュールにおいて、半導体素子として、全てｎ型の半導体素子を用いている。
図１に示すように、各半導体素子４の第１端部４ａが熱源側（高温側）に配置され、第２端部４ｂが反熱源側（低温側）に配置される。すなわち、各半導体素子４の第１端部４ａと第２端部４ｂとの間で温度差が生じる。このような温度差が生じることで、熱電効果により端部間で起電力が発生する。半導体素子単体での起電力は小さいため、図１に示すように、内部導体層８を介して、半導体素子を直列に接続し、取り出し電極１０、１２を通じて電力を得る。このとき、半導体素子の周囲には高抵抗層が形成されているため短絡は生じない。
（半導体素子４）
半導体素子４は、本実施形態に係る熱電素子用組成物から構成される。該熱電素子用組成物は、ＣａおよびＭｎを有し、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物であり、負のゼーベック係数を示す。したがって、半導体素子４は、ｎ型の半導体素子である。また、ＣａとＭｎとのモル比を示すＣａ／Ｍｎが１．０００２〜１．１９７８であり、好ましくは１．０００２〜１．１０５３であり、より好ましくは１．０００２〜１．０２０２である。
半導体素子４は、本実施形態に係る熱電素子用組成物から構成される。該熱電素子用組成物は、ＣａおよびＭｎを有し、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物であり、負のゼーベック係数を示す。したがって、半導体素子４は、ｎ型の半導体素子である。また、ＣａとＭｎとのモル比を示すＣａ／Ｍｎが１．０００２〜１．１９７８であり、好ましくは１．０００２〜１．１０５３であり、より好ましくは１．０００２〜１．０２０２である。
通常、熱電素子用組成物として、Ｃａ／Ｍｎ＝１であるＣａＭｎＯ３を用いるが、本実施形態では、Ｃａ／Ｍｎを１より大きくしている。このようにすることで、該組成物から構成される半導体素子の使用温度域（たとえば、８００℃以上）における熱伝導率を低くすることができ、性能指数Ｚを向上させることができる。その結果、高性能の熱電モジュールを得ることができる。しかも、該組成物の線膨張率は、導体、たとえばＰｄの線膨張率に近い。その結果、上記の熱電モジュールの使用時にクラック等の構造欠陥の発生を抑制できるため、モジュールの信頼性を確保することができる。
本実施形態に係る熱電素子用組成物は、Ｃａおよび／またはＭｎの一部が、ランタノイドで置換されていてもよい。置換量は、ＣａとＭｎとの合計モル数２．００００モルに対し、好ましくは０モルより多く、０．３モル以下、より好ましくは０．００１〜０．３モル、さらに好ましくは０．０３〜０．１５モルである。すなわち、ＣａとＭｎとの合計モル数が２．００００モルである該熱電素子用組成物において、ランタノイドはＣａおよび／またはＭｎを０．３モルまで置換する。なお、ランタノイドは、Ｃａを置換してもよいし、Ｍｎを置換してもよいし、ＣａおよびＭｎの両方を置換してもよい。後述する置換元素も同様である。
置換量を上記の範囲とすることで、熱伝導率を低くし、性能指数Ｚが向上するとともに、組成物の線膨張係数を導体の線膨張係数に近づけることができるため、クラックの発生を防止できる。
ランタノイドとしては、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｙｂから選ばれる少なくとも１つであることが好ましく、Ｎｄ、ＰｒおよびＳｍから選ばれる少なくとも１つであることがより好ましい。
本実施形態に係る熱電素子用組成物は、Ｃａおよび／またはＭｎの一部が、２族元素で置換されていてもよい。置換量は、ＣａとＭｎとの合計モル数２．００００モルに対し、好ましくは０モルより多く、０．３モル以下、より好ましくは０．００１〜０．３モル、さらに好ましくは０．０３〜０．１５モルである。
置換量を上記の範囲とすることで、熱伝導率を低くし、性能指数Ｚが向上するとともに、組成物の線膨張係数を導体の線膨張係数に近づけることができる。
２族元素としては、Ｂａ、ＭｇおよびＳｒから選ばれる少なくとも１つであることが好ましく、ＢａおよびＭｇから選ばれる少なくとも１つであることがより好ましい。
本実施形態に係る熱電素子用組成物は、Ｃａおよび／またはＭｎの一部が、５族元素で置換されていてもよい。置換量は、ＣａとＭｎとの合計モル数２．００００モルに対し、好ましくは０モルより多く、０．３モル以下、より好ましくは０．００１〜０．３モル、さらに好ましくは０．０３〜０．１５モルである。
置換量を上記の範囲とすることで、熱伝導率を低くし、性能指数Ｚが向上するとともに、組成物の線膨張係数を導体の線膨張係数に近づけることができる。
５族元素としては、Ｔａ、ＮｂおよびＶから選ばれる少なくとも１つであることが好ましく、ＴａおよびＮｂから選ばれる少なくとも１つであることがより好ましい。
本実施形態に係る熱電素子用組成物は、Ｃａおよび／またはＭｎの一部が、６族元素で置換されていてもよい。置換量は、ＣａとＭｎとの合計モル数２．００００モルに対し、好ましくは０モルより多く、０．３モル以下、より好ましくは０．００１〜０．３モル、さらに好ましくは０．０３〜０．１５モルである。
置換量を上記の範囲とすることで、熱伝導率を低くし、性能指数Ｚが向上するとともに、組成物の線膨張係数を導体の線膨張係数に近づけることができる。
６族元素としては、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つであることが好ましく、Ｍｏであることがより好ましい。
本実施形態に係る熱電素子用組成物は、Ｃａおよび／またはＭｎの一部が、１４族元素で置換されていてもよい。置換量は、ＣａとＭｎとの合計モル数２．００００モルに対し、好ましくは０モルより多く、０．３モル以下、より好ましくは０．００１〜０．３モル、さらに好ましくは０．０３〜０．１５モルである。
置換量を上記の範囲とすることで、熱伝導率を低くし、性能指数Ｚが向上するとともに、組成物の線膨張係数を導体の線膨張係数に近づけることができる。
１４族元素としては、ＳｎおよびＳｉから選ばれる少なくとも１つであることが好ましく、Ｓｎであることがより好ましい。
本実施形態に係る熱電素子用組成物は、Ｃａおよび／またはＭｎの一部が、第１遷移金属元素で置換されていてもよい。置換量は、ＣａとＭｎとの合計モル数２．００００モルに対し、好ましくは０モルより多く、０．３モル以下、より好ましくは０．００１〜０．３モル、さらに好ましくは０．０３〜０．１５モルである。
置換量を上記の範囲とすることで、熱伝導率を低くし、性能指数Ｚが向上するとともに、組成物の線膨張係数を導体の線膨張係数に近づけることができる。
第１遷移金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｏから選ばれる少なくとも１つであることが好ましく、ＣｒおよびＮｉであることがより好ましい。
また、本実施形態に係る熱電素子用組成物は、Ｃａおよび／またはＭｎの一部が、Ｙで置換されていてもよい。置換量は、ＣａとＭｎとの合計モル数２．００００モルに対し、好ましくは０モルより多く、０．３モル以下、より好ましくは０．００１〜０．３モル、さらに好ましくは０．０３〜０．１５モルである。
置換量を上記の範囲とすることで、熱伝導率を低くし、性能指数Ｚが向上するとともに、組成物の線膨張係数を導体の線膨張係数に近づけることができる。しかも、該組成物を構成する結晶粒子の粒子径を均一にする効果を有しており、焼成温度が変動しても電気特性のバラツキをも小さくすることができる。
本実施形態に係る熱電素子用組成物は、Ｃａおよび／またはＭｎの一部が、Ｚｎで置換されていてもよい。置換量は、ＣａとＭｎとの合計モル数２．００００モルに対し、好ましくは０モルより多く、０．３モル以下、より好ましくは０．００１〜０．３モル、さらに好ましくは０．０３〜０．１５モルである。
置換量を上記の範囲とすることで、熱伝導率を低くし、性能指数Ｚが向上するとともに、組成物の線膨張係数を導体の線膨張係数に近づけることができる。
本実施形態に係る熱電素子用組成物は、Ｃａおよび／またはＭｎの一部が、Ｚｒで置換されていてもよい。置換量は、ＣａとＭｎとの合計モル数２．００００モルに対し、好ましくは０モルより多く、０．３モル以下、より好ましくは０．００１〜０．３モル、さらに好ましくは０．０３〜０．１５モルである。
置換量を上記の範囲とすることで、熱伝導率を低くし、性能指数Ｚが向上するとともに、組成物の線膨張係数を導体の線膨張係数に近づけることができる。しかも、該組成物を構成する結晶粒子の粒子径を微細にする効果を有しており、電気特性のバラツキをも小さくすることができる。
本実施形態に係る熱電素子用組成物は、Ｃａおよび／またはＭｎの一部が、Ｎａで置換されていてもよい。置換量は、ＣａとＭｎとの合計モル数２．００００モルに対し、好ましくは０モルより多く、０．３モル以下、より好ましくは０．００１〜０．３モル、さらに好ましくは０．００１〜０．０３モルである。
置換量を上記の範囲とすることで、熱伝導率を低くし、性能指数Ｚが向上するとともに、組成物の線膨張係数を導体の線膨張係数に近づけることができる。
本実施形態に係る熱電素子用組成物は、Ｃａおよび／またはＭｎの一部が、Ａｌで置換されていてもよい。置換量は、ＣａとＭｎとの合計モル数２．００００モルに対し、好ましくは０モルより多く、０．３モル以下、より好ましくは０．００１〜０．３モル、さらに好ましくは０．００１〜０．０３モルである。
置換量を上記の範囲とすることで、熱伝導率を低くし、性能指数Ｚが向上するとともに、組成物の線膨張係数を導体の線膨張係数に近づけることができる。
なお、上記の置換元素を併用してもよい。
半導体素子４の形状は特に制限されず、用途等に応じて決定すればよいが、本実施形態では、図１において、Ｚ軸方向に延びる四角柱の形状を有している。また、そのサイズも特に限定されないが、たとえば四角柱の高さが１〜５０ｍｍであり、底面の縦または横が１〜５０ｍｍ程度である。
（高抵抗層６）
本実施形態では、図１に示すように、高抵抗層６は、半導体素子４間を直列に接続する内部導体層８が半導体素子４と隔てられるように形成され、半導体素子間の短絡を防いでいる。高抵抗層が形成されていなくても、熱電モジュールとしての特性を示すことができるが、高抵抗層が形成されることで、内部導体層を保護することができる。高抵抗層の材質は特に制限されないが、本実施形態では、高抵抗層は、ＣａおよびＭｎを含み、それらのモル比率がＣａ：Ｍｎ＝３２：６８〜３７：６３である酸化物を主成分として含有している。
本実施形態では、図１に示すように、高抵抗層６は、半導体素子４間を直列に接続する内部導体層８が半導体素子４と隔てられるように形成され、半導体素子間の短絡を防いでいる。高抵抗層が形成されていなくても、熱電モジュールとしての特性を示すことができるが、高抵抗層が形成されることで、内部導体層を保護することができる。高抵抗層の材質は特に制限されないが、本実施形態では、高抵抗層は、ＣａおよびＭｎを含み、それらのモル比率がＣａ：Ｍｎ＝３２：６８〜３７：６３である酸化物を主成分として含有している。
該高抵抗層は、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌなどの添加物を含んでもよい。また、高抵抗層の厚みは、特に制限されず、用途等に応じて適宜決定すればよいが、本実施形態では、１〜１０００μｍである。なお、本実施形態では、室温（２５℃）における高抵抗層の電気抵抗率は、５００Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。
（内部導体層８）
内部導体層８は、発生した起電力を取り出せる程度の導電性を有していれば特に制限されないが、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉ等の導電性金属のいずれか、あるいはそれらの合金が例示される。本実施形態では、Ｐｄが好ましい。また、上記の導電性金属あるいは合金と、高抵抗層を構成する成分と、のコンポジット層であってもよいし、上記の導電性金属あるいは合金と、高抵抗層を構成する成分と、本実施形態に係る説電素子用組成物と、のコンポジット層であってもよい。
内部導体層８は、発生した起電力を取り出せる程度の導電性を有していれば特に制限されないが、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉ等の導電性金属のいずれか、あるいはそれらの合金が例示される。本実施形態では、Ｐｄが好ましい。また、上記の導電性金属あるいは合金と、高抵抗層を構成する成分と、のコンポジット層であってもよいし、上記の導電性金属あるいは合金と、高抵抗層を構成する成分と、本実施形態に係る説電素子用組成物と、のコンポジット層であってもよい。
内部導体層の厚みは、特に制限されず、用途等に応じて適宜決定すればよいが、本実施形態では、１〜５００μｍである。なお、本実施形態では、室温（２５℃）における内部導体層の電気抵抗率は、０．１Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。
（取り出し電極１０，１２）
取り出し電極１０，１２は、発生した起電力を取り出せる程度の導電性を有していれば特に制限されないが、上述した導電性金属あるいは合金であってもよいし、上記のコンポジット層であってもよい。
取り出し電極１０，１２は、発生した起電力を取り出せる程度の導電性を有していれば特に制限されないが、上述した導電性金属あるいは合金であってもよいし、上記のコンポジット層であってもよい。
（熱電モジュールの製造方法）
図１に示す構造の熱電モジュール２は、印刷法やシート法等の公知の方法により製造すればよい。本実施形態では、焼成後に端子部、高抵抗層、内部導体層および半導体素子となる各ペースト層を形成して、積層体を作製し、これを焼成することで、熱電モジュールを製造する。以下、製造方法について具体的に説明する。
図１に示す構造の熱電モジュール２は、印刷法やシート法等の公知の方法により製造すればよい。本実施形態では、焼成後に端子部、高抵抗層、内部導体層および半導体素子となる各ペースト層を形成して、積層体を作製し、これを焼成することで、熱電モジュールを製造する。以下、製造方法について具体的に説明する。
本実施形態では、半導体素子を形成するための素子ペーストを調製する。まず、上述の複合酸化物の原料を準備し、これらの原料と、バインダと、溶剤と、を混練して、素子ペーストを調製する。必要に応じて、上述の置換元素を含む酸化物の原料を準備し、該複合酸化物の原料と混合して、素子ペーストを調製してもよい。なお、これらの酸化物を所定の組成になるように秤量・混合し、混合物を所定温度で仮焼した後に得られる仮焼物を用いて、素子ペーストを調製してもよい。
上記の複合酸化物あるいは置換元素を含む酸化物の原料としては、酸化物だけでなく、その混合物や複合酸化物を用いることができる。また、焼成により上記した酸化物や複合酸化物となる各種化合物を用いてもよい。
高抵抗層を形成するための抵抗体ペーストは、素子ペーストと同様にして調製すればよい。
内部導体層を形成するための電極ペーストは、上記の導電性金属等の原料と、バインダと、溶剤と、を混練して得られる。
端子部および取り出し電極を形成するための電極ペーストは、内部導体層を形成するための電極ペーストと同様にして調製すればよい。
得られたペーストを用いて、ＰＥＴフィルムなどの支持シートの上に、図１に示す第１端子部１０ａ，８ａとなる電極ペースト層を、スクリーン印刷などにより所定パターンで形成する。その後に、図１に示す高抵抗層６となる抵抗体ペースト層、内部導体層８となる電極ペースト層、半導体素子４となる素子ペースト層を、スクリーン印刷などにより所定パターンで形成する。
それらの印刷を繰り返し、最後に、図１に示す第２端子部８ｂおよび取り出し電極１２となる電極ペースト層をスクリーン印刷などにより所定パターンで形成し、積層体を得る。
得られた積層体に対し、必要に応じて脱バインダ処理を行い、その後に焼成処理を行う。脱バインダ処理時の加熱温度は、特に限定されないが、たとえば２５０〜５００℃である。また、焼成時の加熱温度は、たとえば大気中にて、１１００〜１４００℃である。このようにして、焼結体としての熱電素子用組成物が得られる。
本実施形態では、同じｎ型の複数の半導体素子４を用い、さらに、半導体素子４を構成する本実施形態に係る熱電素子用組成物の組成に近い組成を有する材料で高抵抗層を形成して、熱電モジュール２を構成している。その結果、モジュール一体化のための製造が容易になり、同時焼成時にクラックや剥がれなどが生じるおそれが少なくなる。そのため、熱電モジュール２の品質が向上すると共に、信頼性が向上する。
なお、熱電モジュールの全周を高抵抗層で覆うように構成し、取り出し電極の一部のみが外部に露出するようにしても良い。
また、熱電モジュールにおいて、四角柱形状の各半導体素子の全周が高抵抗層で覆われ、隣接する素子の接合部に位置する高抵抗層の内部に、内部導体層が埋め込まれていてもよい。
また、熱電モジュールは、半導体素子が直交する２軸の各方向に行列状に配置され、全体として、平板ブロックを形成していてもよい。
さらに、熱電モジュールは、半導体素子がリング分割片の形状とされ、リング分割片の内周側および外周側が、第１端部および第２端部となるように、これらの半導体素子を組み合わせて円柱リングを形成されていてもよい。また、リングを複数に分割して構成された分割型熱電モジュールを組み合わせて構成してもよい。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
たとえば、上述した実施形態では、複数のｎ型半導体素子のみで熱電モジュールを構成しているが、ｎ型半導体素子とｐ型半導体素子とを用いて、熱電モジュールを構成してもよい。
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明する。
（実施例１）
まず、ＣａとＭｎとを含み、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物の原料として、ＣａＣＯ３およびＭｎ３Ｏ４を準備した。また、表１および２に示す置換元素の原料を準備した。置換元素の原料としては、酸化物、炭酸塩などを用いた。
まず、ＣａとＭｎとを含み、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物の原料として、ＣａＣＯ３およびＭｎ３Ｏ４を準備した。また、表１および２に示す置換元素の原料を準備した。置換元素の原料としては、酸化物、炭酸塩などを用いた。
次に、これらの原料を、ＣａとＭｎとの合計が２．００００モル、ＣａとＭｎとの比が表１に示す比になるように秤量し、ボールミルにより約２０時間湿式混合して、原料混合物を得た。また、置換元素は、ＣａとＭｎとの合計２．００００モルのうち、表１および２に示す量を元素換算で置換するように秤量した。なお、置換されたＣａおよびＭｎ量は、表１に示すＣａとＭｎとの比に応じて決めた。
次に、得られた原料混合物を、空気中において１０５０℃で１０時間仮焼して仮焼き材料とした後、ボールミルで２０時間湿式粉砕して粉砕材料を得た。
次に、この粉砕材料を乾燥した後、該粉砕材料１００重量％に、バインダとしてのポリビニルアルコールを１重量％添加して造粒し、２０メッシュの篩で整粒して顆粒とした。この顆粒を、１５０ＭＰａの圧力で加圧成形して、円柱形状（寸法＝φ１２ｍｍ×高さ２ｍｍ）の成形体を得た。
次に、これら各成形体を、空気中において、１１００〜１４００℃で２時間焼成して、各試料の焼結体を得た。得られた焼結体に対し熱伝導率および線膨張係数の特性評価を行った。
また、得られた粉砕材料と、Ｐｄ粉末と、を用いて、図２に示す熱電モジュールを作製した。まず、粉砕材料：１００重量部と、ポリビニルブチラール樹脂：１０重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート（ＤＯＰ）：５重量部と、溶媒としてのアルコール：１００重量部とをボールミルで混合してペースト化し、素子ペーストを得た。
また、Ｐｄ粒子：４４．６重量部と、テルピネオール：５２重量部と、エチルセルロース：３重量部と、ベンゾトリアゾール：０．４重量部とを、３本ロールにより混練し、ペースト化して電極ペーストを作製した。
そして、上記にて作製した素子ペーストを用いて、ＰＥＴフィルム上に、グリーンシートを形成した。次いで、この上に電極ペーストを用いて、Ｐｄ電極層を所定パターンで印刷した後、ＰＥＴフィルムからシートを剥離し、電極層（内部導体）を有するグリーンシートを作製した。次いで、電極層を有するグリーンシートを２枚積層し、その上にグリーンシートをさらに積層し、加圧接着することによりグリーン積層体を得た。
次いで、得られたグリーン積層体について、脱バインダ処理を行い、空気中において、１１００〜１４００℃で２時間焼成して、熱電モジュールの試料を得た。すなわち、図２に示す熱電モジュール２０において、半導体素子４０と内部導体８０とが一体化されている。得られた熱電モジュールに対し構造欠陥の特性評価を行った。
（熱伝導率）
得られた円柱状焼結体に対し、熱伝導率測定装置（アルバック理工株式会社製ＴＣ７０００）を用いて、レーザーフラッシュ法により、８００℃における熱伝導率を測定した。熱伝導率は小さいことが好ましく、本実施例では、熱伝導率が４．０Ｗ／ｍＫ以下である試料を良好とした。結果を表１および２に示す。
得られた円柱状焼結体に対し、熱伝導率測定装置（アルバック理工株式会社製ＴＣ７０００）を用いて、レーザーフラッシュ法により、８００℃における熱伝導率を測定した。熱伝導率は小さいことが好ましく、本実施例では、熱伝導率が４．０Ｗ／ｍＫ以下である試料を良好とした。結果を表１および２に示す。
（線膨張係数）
円柱状焼結体に対し、線膨張係数測定装置（ブルカーエイエックスエス社製ＴＤ５０００ＳＡ）を用いて、室温から８００℃までの熱膨張を測定し、線熱膨張係数αを測定した。線膨張係数は、Ｐｄの線膨張係数（１４．５ｐｐｍ／℃）を基準とし、この値に近いほど好ましい。本実施例では、線膨張係数が、１４．５±１．９ｐｐｍ／℃の範囲内にある試料を良好とした。結果を表１および２に示す。
円柱状焼結体に対し、線膨張係数測定装置（ブルカーエイエックスエス社製ＴＤ５０００ＳＡ）を用いて、室温から８００℃までの熱膨張を測定し、線熱膨張係数αを測定した。線膨張係数は、Ｐｄの線膨張係数（１４．５ｐｐｍ／℃）を基準とし、この値に近いほど好ましい。本実施例では、線膨張係数が、１４．５±１．９ｐｐｍ／℃の範囲内にある試料を良好とした。結果を表１および２に示す。
（構造欠陥）
得られた熱電モジュール２０に対し、図２に示すように、一方端４０ａを８００℃に加熱し、他方端４０ｂを１００℃として、熱電モジュールの使用温度に近い温度とし、組成物と導体との界面にクラックが発生するか否かを評価した。この試験を同一組成の試料１０個に対して行い、クラックが発生しないものを良好とした。結果を表１および２に示す。
得られた熱電モジュール２０に対し、図２に示すように、一方端４０ａを８００℃に加熱し、他方端４０ｂを１００℃として、熱電モジュールの使用温度に近い温度とし、組成物と導体との界面にクラックが発生するか否かを評価した。この試験を同一組成の試料１０個に対して行い、クラックが発生しないものを良好とした。結果を表１および２に示す。
表１より、置換元素が含まれず、Ｃａ／Ｍｎ＝１．００００である場合（試料番号１）、熱伝導率が高いことが確認できた。また、置換元素が含まれず、Ｃａ／Ｍｎ＝１．２２２２である場合（試料番号７）、Ｐｄの線膨張係数との差が大きくなり、クラックが発生する試料が確認できた。
一方、置換元素が含まれず、Ｃａ／Ｍｎが上述した範囲内である場合には、熱伝導率が低く、Ｐｄの線膨張係数との差も小さいため、クラック等の構造欠陥の発生を抑制できることが確認できた。
また、表１および２より、Ｃａおよび／またはＭｎの一部を、置換元素で置換することで、熱伝導率を低くしつつ、クラック等の構造欠陥の発生を抑制できることが確認できた。
２… 熱電モジュール
４… 半導体素子
４ａ… 第１端部
４ｂ… 第２端部
６… 高抵抗層
８… 内部導体層
８ａ… 第１端子部
８ｂ… 第２端子部
１０，１２… 取り出し電極
４… 半導体素子
４ａ… 第１端部
４ｂ… 第２端部
６… 高抵抗層
８… 内部導体層
８ａ… 第１端子部
８ｂ… 第２端子部
１０，１２… 取り出し電極
Claims (2)
- ＣａおよびＭｎを有し、一般式ＡＢＯ３（ＡはＡサイト原子、ＢはＢサイト原子）で表されるペロブスカイト構造を有する複合酸化物であって、
前記Ｃａと前記Ｍｎとのモル比を示すＣａ／Ｍｎが１．０００２〜１．１０５３である熱電素子用組成物であって、
前記熱電素子用組成物が、Ｙ、Ｎｄ、Ｔａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｏ、Ｖ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｃｕからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素を有し、
前記Ｃａと前記Ｍｎとの合計２．００００モルに対する前記元素の置換量が０．０３〜０．１５モルであることを特徴とする熱電素子用組成物。 - ＣａおよびＭｎを有し、一般式ＡＢＯ３（ＡはＡサイト原子、ＢはＢサイト原子）で表されるペロブスカイト構造を有する複合酸化物であって、
前記Ｃａと前記Ｍｎとのモル比を示すＣａ／Ｍｎが１．０００２〜１．１９７８である熱電素子用組成物であって、
前記熱電素子用組成物が、ＮａおよびＡｌの一方または両方を有し、
前記Ｃａと前記Ｍｎとの合計２．００００モルに対する前記Ｎａおよび前記Ａｌの一方または両方の置換量が０．００１〜０．０３モルであることを特徴とする熱電素子用組成物。
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