JPH03165077A

JPH03165077A - 熱電素子の製造方法

Info

Publication number: JPH03165077A
Application number: JP1304077A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Tokiai; 健生時合; Masaaki Nosaka; 野坂　正昭; Koichi Sugimoto; 剛一杉本; Tsuneyoshi Murakami; 村上　亘由
Original assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Priority date: 1989-11-22
Filing date: 1989-11-22
Publication date: 1991-07-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は熱電素子の製造方法に関し、さらにａしくは、
焼結密度の高い高性能の熱電素子を優Ａた作業性の下で
得ることのできる製造方法に関する。

［従来の技術と発明が解決すべき課題］ゼーベック効果
を利用して熱電発電を行なわせたり、ベルチェ効果を利
用して熱電冷却を行なわせる熱電素子は、熱電発電、温
度センサーや半導体製造プロセスにおける恒温装置、エ
レクトロニクスデバイスの冷却装置など、種々の分野に
おいて幅広く利用されている。

この熱電素子を製造する方法として、本出願人等は、次
のような手段をすでに提案した。

すなわち、まずビスマスやテルル等を含む原料粉末を遊
星型強制混合ボールミル等で微粉末に粉砕する１次に、
この微粉末にポリビニルアルコールとエタノールとを加
えて造粒し、得られる顆粒をさらに分級してからプレス
成形等を行なう。

得られた成形体を脱脂（有機成分を揮散せしめる。）シ
たのち、最後に焼結する。

しかしながら、上記の製造方法では、造粒時に粒の揃っ
た顆粒が得られにくいこと、圧縮成形時に顆粒の流動性
が低く、シかも潰れにくく、かつ金型に付着しやすくて
離形性に乏しいこと、さらに脱脂時にはバインダー（結
合剤）が揮散しにくいこと、などの問題点があり、この
ため、成形時の作業性が低くくて、得られる焼結体は焼
結密度が低く、しかも熱電特性の向上を図ることが困難
であった。

本発明は上記事情を改善するためになされたものである
。

すなわち、本発明の目的は、造粒工程に改良を加えるこ
とによって、優れた作業性の下で、高い焼結密度および
高い脱脂率を有する結晶性の良好な同容体の焼結体を得
ることができる。熱電特性の向上した熱電素子の製造方
法を提供することにある。

［前記課題を解決するための手段］前記目的を達成するための本発明は、ビスマス、テルル
系熱電素子用原料微粉末に、次式％式％（ただし、Ｒは水素原子または低級アルキル基をを表わ
す、）で示される繰り返し単位を増するグリコール類および／
またはパラフィンワックス０．２〜２０重量％と溶媒と
を加えてスラリーを調製し、このスラリーからスプレー
ドライヤーを用いて造粒、乾燥したのち、成形、焼結す
ることを特徴とする熱電素子の製造方法である。

以下、本発明の詳細な説明する。

一原料微粉末一本発明で用いる原料微粉末を得るには、その素原料とし
て、ビスマス（以下、Ｂｉと表記することがある。）ま
たはテルル（以下、Ｔｅと表記することがある。）を含
有する金属、あるいは金属粉末を使用することができる
。この素原料は、ＢｉまたはＴｅ以外の金属としてたと
えばｓｂやＳｅなどの金属を含んでいても良いし、また
、ＴｅとＳｅとの合金であっても良い、この素原料とし
て好ましくはは、ＢｉまたはＴｅあるいは他の金属であ
って、融解混合していない単体金属あるいは精練過程で
得られる合金を使用することができる。

素原料の形状としては粒子状ないし粉末であるのが好ま
しく、その粒径は特に制限はないが、通常１００メツシ
ユパス、特に１５０メツシユパスの粒子ないし粉末が好
ましい、なお、径の大きい粒子は、事前に粉砕等の手段
により上記粒径の範囲に調整しておくことが好まい。

これら各種の素原料にはドーパントを添加しておいても
良い。

このドーパントとしては熱電素子の分野で使用されてい
るものを特に制限なく使用することができ、たとえば熱
電素子をＰ型にするのであればＣｄ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｓ
、Ｓｂなどのドーパントを使用することができ、熱電変
換素子をＮ型にするのであれば、Ｌｉ、ＡＩ、Ａｇ、Ｃ
ｕ、ＣｕｚＳ、ＣｕＴｅ、Ｃｕ１．ＣｕＢｒ、Ａｇ１．
ＡｇＢｒ、ＳｂＩ３などのドーパントを使用することが
できる。

ドーパントの添加量は、素原料の種類やその混合比、ド
ーパントの種類によって一律に決定することはできない
が、通常は、０．０１〜１０モル％、好ましくは０．０
５〜５モル％である。

なお、このドーパントは、前記素原料とは別個に原料微
粉末に添加しても良い。

本発明における原料微粉末は、各種の前記素原料を混合
粉砕することにより得ることができる。

素原料は、たとえばＢｉ　：Ｔｅ＝２　：　３　（モル
比）、Ｂｉ　：Ｓｂ：Ｔｅ＝２：８：１５（モル比）、
Ｂｉ　：Ｔｅ：５ｅ＝２：２二１　（モル比）、（Ｂｉ
＋Ｓｂ）：　（Ｔｅ＋５ｅ）＝２：３（モル比）などの
モル比になるように混合される。特に（Ｂｉ＋Ｓｂ）と
Ｔｅまたは（Ｔｅ＋Ｓｅ）とを約２：３の割合で含有す
る原料微粉末を調製すると、このような原料微粉末から
６００に以下で非常に優れた性能を有する熱電素子を得
ることができる。

混合粉砕の方法は乾式、湿式のいずれでもよく、湿式の
場合は混合助剤としてエタノールやブタノール等のアル
コールを始め各種の溶媒を用いることができる。

原料微粉末を得るための混合機としては、粉砕と混合と
を同時にかつ十分に行なうことのできる粉砕混合機であ
れば特に制限はなく、たとえば高速ボールミル、衝撃微
粉砕機、ジェット粉砕機、格式摩擦機、遊星型ボールミ
ル等を使用することができ、中でも高速（遊星型）ボー
ルミルを好適に使用することができる。

このような高速ボールミルによる共粉砕・混合は種々の
条件によって行なうことができる。

たとえば、その−態様では、メノウ製ポットを有する遊
星型ボールミルに、所定の組成の素原料粉末と５ｂ１３
等の添加剤とたとえばエタノールを素原料粉末１ｇ当た
り１ｍ１程度を導入し、直径１０ｍｍ　（２，１ｇ）の
ポールを５０ケ使用して１通常５〜２００時間、好まし
くは１０〜１００時間かけて共粉砕混合する。

このようにして得られた原料微粉末は、通常、０．０５
〜１０　ＩＬｍ、好ましくは０．０５〜７ａｍ、より好
ましくは０．０５〜５μｍである。

−スラリー調製、造粒、乾燥− 上記のようにして得られた原料微粉末は、次いで、所定
粒度の粒子に形成される。

まず、バインダーと溶媒と前記原料微粉末とを混合して
スラリーを調製し、スプレードライヤーで造粒および乾
燥する。

前記バインダーとしては、次式％式％（ただし、Ｒは水素原子または低級アルキル基をを表わ
す、）で示される繰り返し単位を有するグリコール類および／
またはパラフィンワックスを挙げることができる。

本発明で注目すべきことは、前記グリコール類およびパ
ラフィンワックスを使用することにょって、初めて本発
明の目的を達成することかでざるのであって、これら以
外のバインダー、たとえば従来の造粒工程でよく使われ
るポリビニルアルコールやステアリン酸などを用いても
、本発明の効果を奏することはできないことである。

上記グリコール類としては、ポリエチレングリコールお
よびポリプロピレングリコールを挙げることができ、中
でもポリエチレングリコールが好ましい。

ポリエチレングリコールとしては、重量平均分子量（π
ｗ）が１，０００〜２０，０００、特ニ２，０００〜１
５．０００の範囲にあるものが好ましい。

一方、上記パラフィンワックスとしては、パラフィンあ
るいはワックスと称されて本発明の目的を達成すること
ができる物質であれば特に制限がなく、好適なのは、大
気中でｌ　”Ｃ／　ｍ　ｉ　ｎの昇温速度で加熱したと
き、３６０℃で全て熱分解するパラフィンワックスであ
る。

このパラフィンワックスは、多くの場合、ｎ−パラフィ
ンを主成分とし、ｉ−パラフィンやナフテンを含有して
いる。

上記バインダーの配合量は、前記原料微粉末とバインダ
ーとの合計量に対し１通常０．２〜２０重量％、好まし
くは０．５〜１５重量％、特に好ましくは１〜１０重量
％である。上記配合量が０．２重量％未満であると、バ
インダーが少な過ぎて結着剤としての役割を果たさない
し、また２０重量％を超えると、良好な成形体、焼結体
を得ることができないことがある。

また、前記溶媒としてはエタノール、メタノール、プロ
ピルアルコール、ブチルアルコール等の一価の低級アル
キルアルコール、エタンジオール、プロパンジオール、
ブタンジオール、ベンタンジオール等の二価の低級アル
キルアルコール、フェノール、クレゾール、キシレノー
ル等の芳香族アルコール、ジエチルエーテルやテトラヒ
ドロフラン等のエーテル類、ジメチルケトン等のケトン
類等を挙げることができる。

なお、前記各種の溶媒は、その一種を選んで使用するこ
ともできるし、また二種以上を併用することができる。

溶媒の使用量は、前記原料微粉末とバインダーと溶媒と
の全体における固形分の濃度が１０〜７０重量％、特に
１５〜５０重量％になるように調製するのが好ましい。

この濃度が１０重量％未満であると、スラリー粘度が高
くなり、また濃度が７０重量％を超えると、スラリー粘
度が低くなり、いずれも造粒性が低下するので好ましく
ない。

前記バインダーと溶媒と前記原料微粉末とを混合してス
ラリーにするには、通常の攪拌混合機等を使用すること
ができるのであって、特に制限がない。

調製されたスラリーはスプレードライヤーによって、造
粒され、乾燥される。

スプレードライヤーにおけるディスクの回転数は通常、
４，０００〜１５．００Ｏｒ　ｐ　ｍであり、熱風温度
は通常、４０〜１２０℃の範囲にして、顆粒の９０％以
上が２００ｇｍ以下、特に１５０ｇｍになるように造粒
するのが好ましい。

上述した諸条件を維持しながら、スプレードライヤーに
よる造粒を行なうと、優れた作業性の下で、粒の揃った
顆粒を容易に得ることができる。

しかもこの顆粒はサラサラしていて流動性に富み、作業
性、成形性にすぐれ、かつ成形時には潰れ易いという特
長を有する。

造粒、乾燥された顆粒は、さらに分級することが好まし
い。

この分級では、たとえばふるいを用いて、焼結体を形成
するのに適した大きさの顆粒を選択する。

たとえばプレス成形に適した顆粒を得るには、通常、粒
径３２〜７Ｑｐｍの範囲の粒度に分級するのが好ましい
。

一成形一本発明においては、上記顆粒を所望の形状に成形加工す
る。

成形方法としては特に制限はなく、各種の成形装置、た
とえばプレス成形機、押出成形機、射出成形機等を用い
て種々の条件や方式のもとに成形を行なうことができる
が５通常は熱電素子の分野で常用される一軸プレス成形
機を用いて、プレス圧０．５〜２０ｔａｎ／ｃｍ２程度
で成形するのが良い、これによって種々の形状を有する
、グリーン密度の高い成形体が得られる。また、使用す
る顆粒が前記特長を有するので、成形の作業性も良好で
ある。

一脱脂一上記成形体は直ちに焼結しても良いのであるが、一般的
には焼結前に脱脂しておくのが好ましい。

脱脂は、成形体を４００℃以下、通常２００〜４００℃
に加熱することにより行なうことができる。真空中で脱
脂するのであれば、１分間に１〜３℃の昇温速度で実施
するのがよい、また、窒素ガスやＡｒ等の不活性ガス雰
囲気中で脱脂を行なう場合は、毎分１〜５℃の昇温速度
で２００〜４０（１’Ｏまで加熱し、さらにその温度で
２〜５０時間保持するのがよい。

いずれにせよ、この脱脂により、成形体中のバインダー
等の有機成分はその大部分が分解し、気化してしまう。

一焼結一前記脱脂された成形体は最後に焼結される。

焼結温度および焼結時間としては、原料粉末の組成その
他の条件により一律に規定することができないが、通常
４００〜６００℃、好ましくは４２０〜４９０℃の温度
範囲で、通常０，５時間以上、好ましくは０．５〜３０
時間である。

このように焼結すると、結晶性が良く（固溶体を形成す
るため）、寸法安定性と焼結密度の高い焼結体が得られ
る。

焼結温度が低すぎると５バインダーが残留したり、密度
が低く、焼結が十分でなくなり、焼結体の強度が十分得
られないことがある。一方、焼結温度があまり高すぎる
と、組成が変化したり、不均一となり、性能が低下した
り、エネルギーコストが大きくなって不利になることが
ある。

焼結に際しての雰囲気としては、酸化反応が起きないよ
うに通常、アルゴン等の不活性ガス雰囲気、水素や一酸
化炭素などの還元雰囲気が採用される。

焼結は密封系でも開放系でも行なうことができるが、密
封系の方が好ましい。

焼結に際しての圧力としては、特に制限はないが１通常
、１０トール〜１０気圧の範囲である。

このようにして得られた焼結体は、熱電素子として利用
される。

［実施例］次に実施例と比較例とに基いて本発明をさらに具体的に
説明するが１本発明はこれらの実施例に限定されない。

（実施例１〜８、比較例１〜８）原料Ａの組成がＢ　ｆ　＋、ｓｏＳ　ｂ　ｏ、ｓｏＴ　
ｅ　３．ｏになるように、それぞれの単体金属（１５０
メツシユバス）の粉末を合計１００　ｇ秤量し、これら
を１．５重量％になるＳｅ粉末とともに遊星型ボールミ
ルのボッド（内容積２００ｃｃ　、メノウ製）に導入し
、溶媒としてエタノールを１　ｍ　ｌ　／　ｇになる割
合で添加し、直径１０ｍｍのポール５０個により回転数
６０゜ｒｐｍの条件で４０時間、共粉砕混合した。

得られた平均粒径１．２μｍの原料微粉末に、所定のバ
インダーおよび溶媒を加えてスラリーとし、このスラリ
ーをスプレードライヤーに供給し、第１表に示す造粒条
件で１６種の顆粒を造粒した。

次に得られた顆粒を分級して粒径３２〜７ｏＪＬｍとし
、さらにこれを−軸プレス機に供給して、プレス圧３ｔ
ｏｎ／ｃｍ２の条件で３．ＯＸｌ、５　Ｘｌ、５ｍｍの
チップを成形した。

次に、このチップを毎分１℃の昇温速度で４００℃まで
加熱し、続いてその温度に１０時間保持して脱脂を行な
った。さらにこのチップをＡｒ雰囲気下に毎分１℃の昇
温速度で４６０　”Ｃまで加熱し、続いてその温度に１
０時間保持することによって焼結を行なった。

得られた成形体のグリーン密度、熱電素子の焼結密度と
熱電特性を第１表に示すとともに、造粒後の顆粒の流れ
易さ（２０ｍｍφの容器に顆粒を充填し、−旦容器を横
に倒したのち立て直した時に形成される顆粒の山の斜角
度）、チップの形状変位（１５Ｘｌ、５　Ｘ３ｍｍのチ
ップの所定の大きさからのズレ）、焼結後のチップ中の
残査（仕込みバインダーに対する残バインダー量）を同
じく第１表に示す。

（以下、余白）第１表に明らかなように、各実施例のチップは比較例の
それに比べ、脱脂時にバインダー樹脂等の有機成分が著
しく揮散し、残査が少ないことが分かる。

また、チップのグリーン密度も焼結密度も高いことが分
かる。ざらに造粒後の顆粒の流れ易さ、チップの形状変
位から、作業性、成形性が良好と言える。

［発明の効果］本発明の製造方法によると。

（イ）造粒時に粒の揃った流動性の良好な成形原料顆粒
を優れた作業性のもとで容易に得ることができること、（ロ）しかもこの顆粒は圧縮成形等の成形時に流動し易
く、また漬れ易く、かつサラサラしていて離形性に富む
こと、（ハ）グリーン密度の高い、しかも脱脂時にはバインダ
ー等の有機成分の大部分が揮散してしまう成形体が得ら
れること。

（ニ）このため、得られる焼結体は寸法安定性の良い焼
結密度の高いものが得られ、優れた熱電特性を発揮する
こと、などの効果を奏することができ、したがって本発明は、
電子デバイス、電気分野等に重要な貢献をすることがで
きる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ビスマスまたはテルル系熱電素子用原料微粉末に
、次式 ▲数式、化学式、表等があります▼ （ただし、Ｒは水素原子または低級アルキル基をを表わ
す。）で示される繰り返し単位を有するグリコール類および／
またはパラフィンワックス０．２〜２０重量％と溶媒と
を加えてスラリーを調製し、このスラリーからスプレー
ドライヤーを用いて造粒、乾燥したのち、成形、焼結す
ることを特徴とする熱電素子の製造方法。