KR102029999B1 - Mold and device for inorganic thermoelectric material and forming method using the same - Google Patents
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Abstract
본원 발명은 무기 열전재료의 성형 금형, 성형 장치 및 이를 이용한 무기 열전재료의 성형방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열전재료를 상부 프레스와 하부프레스로 누름압력을 가하며 제1방향인 하방으로 압출하는 제1변형단계; 및 압출되는 열전재료를 변형유도부를 통하여 상기 제1방향과 직교하고 서로 수직인 2축 방향으로 흐름을 유도하며 재압착하는(repress)하는 제2변형단계를 통하여 길이와 두께 방향의 배향을 유도하는 무기 열전재료의 성형 금형, 성형 장치 및 이를 이용한 성형방법에 관한 것으로 성형되는 열전재료는 길이방향 뿐만 아니라 두께방향으로의 배향성을 향상되는 장점이 있고, 본원 발명의 성형 금형 및 성형방법은 다양한 형태의 박형상 분말, 구형상 분말 및 응고법에 의해서 제조된 분말 형상의 열전재료 뿐만 아니라 핫프레스, 냉간프레스 또는 열간 압출법 등 다양한 종래기술의 제조방법에도 적용이 가능한 장점이 있다.The present invention relates to a molding die of an inorganic thermoelectric material, a molding apparatus and a molding method of an inorganic thermoelectric material using the same. More particularly, the thermoelectric material is extruded downward in a first direction while applying a pressing pressure to an upper press and a lower press. First modification step; And a second deformation step of inducing and repressing the extruded thermoelectric material in a biaxial direction orthogonal to the first direction and perpendicular to the first direction through the deformation guide part to induce orientation in the length and thickness directions. The present invention relates to a molding die, a molding apparatus, and a molding method of the inorganic thermoelectric material. The thermoelectric material to be molded has an advantage of improving the orientation in the thickness direction as well as the longitudinal direction, and the molding die and the molding method of the present invention have various forms. The thin powder, the spherical powder and the powder-like thermoelectric material produced by the coagulation method, as well as various prior art manufacturing methods, such as hot press, cold press or hot extrusion method, can be applied.
Description
본원 발명은 무기 열전재료의 성형 금형, 성형 장치 및 이를 이용한 무기 열전재료의 성형방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열전재료를 상부 프레스와 하부프레스로 누름압력을 가하며 제1방향인 하방으로 압출하는 제1변형단계; 및 압출되는 열전재료를 변형유도부를 통하여 상기 제1방향과 직교하고 서로 수직인 2축 방향으로 흐름을 유도하며 재압착하는(repress)하는 제2변형단계를 통하여 길이와 두께 방향의 배향을 유도하는 무기 열전재료의 성형 금형, 성형 장치 및 이를 이용한 성형방법에 관한 것이다.The present invention relates to a molding die of an inorganic thermoelectric material, a molding apparatus and a molding method of an inorganic thermoelectric material using the same. More particularly, the thermoelectric material is extruded downward in a first direction while applying a pressing pressure to an upper press and a lower press. First modification step; And a second deformation step of inducing and repressing the extruded thermoelectric material in a biaxial direction orthogonal to the first direction and perpendicular to the first direction through the deformation guide part to induce orientation in the length and thickness directions. The present invention relates to a molding die, a molding apparatus, and a molding method using the same of an inorganic thermoelectric material.
열전 소자란 톰슨 효과, 펠티에 효과, 제벡 효과 등의 열전 효과를 이용한 소자, 열전대, 전자 냉각 소자 등을 말해 구조가 간단하고 취급이 용이하고 안정적인 특성을 유지할 수 있는 것에서 광범위하게 걸치는 이용이 주목되어 있다. 특히 전자 냉각 소자로서는 국소 냉각이나 실온 부근의 정밀한 온도 제어가 가능한 것에서 광전자나 반도체 레이저 등의 온도 조절 및 소형 냉장고 등에 적용을 향해서 넓게 연구 개발이 진행되고 있다Thermoelectric element refers to a device using thermoelectric effects such as the Thomson effect, the Peltier effect, the Seebeck effect, a thermocouple, an electronic cooling element, etc., and is widely used for its simple structure, easy handling, and stable characteristics. . In particular, as electronic cooling devices, local cooling and precise temperature control around room temperature are possible, and research and development are being widely conducted for application to temperature control of photoelectrons, semiconductor lasers, and small refrigerators.
현재 열전소자의 재료로서는, 비스무스(Bi) 및 안티몬(Sb)으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 또는 2종과, 테루르륨(Te) 및 셀레늄(Se)으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 또는 2종으로 이루어지는 합금이 현재 주로 사용되고 있고, 대부분 이러한 재료는 층상구조화합물로 결정구조에 의한 열전기적특성에 이방성을 갖는 반도체재료이고, 이와 같은 층상 구조화합물로 이루어지는 반도체재료를 가공하여 결정입자의 미세화 및 배향도의 향상을 도모하는 기술로는 일방향응고법, 핫프레스, 압출법 등의 여러 가지 기술이 알려져 있다.The material of the current thermoelectric element is one or two selected from the group consisting of bismuth (Bi) and antimony (Sb), and one or two selected from the group consisting of terrium (Te) and selenium (Se). Alloys are mainly used at present, and most of these materials are layered compounds, which are semiconductor materials having anisotropy in thermoelectric properties due to crystal structures, and the semiconductor materials composed of such layered compounds are processed to improve crystal grain size and improve orientation. Various techniques, such as a one-way coagulation method, a hot press, and an extrusion method, are known as a technique to plan the
일방향응고법이란 결정의 성장방향이 제어된 용제재를 생성하는 방법으로 이 방법에 의하면 우수한 배향도를 갖는 다결정재료가 얻을 수 있고, 일방향응고법의 구체예로서는 브리지만법이 알려져 있지만, 이 일방향응고법에 의해 생성된 다결정재료는 재료의 강도가 약하다는 단점이 있어, 이 방법에 의해 얻어진 다결정재료를 그대로 열전반도체소자로 사용하는 것은 바람직하지 않다.The unidirectional coagulation method is a method of producing a solvent material in which the direction of crystal growth is controlled. According to this method, a polycrystalline material having an excellent degree of orientation can be obtained. The resulting polycrystalline material has a disadvantage in that the strength of the material is weak, and it is not preferable to use the polycrystalline material obtained by this method as it is as a thermoelectric semiconductor element.
한편, 핫프레스법은 재료의 분말 등을 일축방향으로 압축하여 재료강도의 향상이 도모된 다결정재료를 생성하는 방법으로 이러한 일축방향으로 압축하는 이유는 외력에 의해 결정배향을 강제적으로 유도하기 위한 것으로 상기 일방향 응고법의 약한 재료강도가 개선될 수 있고 배향성이 우수한 다결정재료가 얻을 수 있다.On the other hand, the hot press method is a method of compressing the powder of the material in the uniaxial direction to produce a polycrystalline material with improved material strength. The reason for compressing in the uniaxial direction is to forcibly induce crystal orientation by external force. The weak material strength of the unidirectional solidification method can be improved and a polycrystalline material excellent in orientation can be obtained.
또한, 압출법은 분말 또는 이 분말을 성형한 것을 금형에 투입하여 이 금형 내의 재료를 압출 펀치를 이용하여 압축하면서 성형하는 방법으로 이 방법에 의하면 재료 전체에 강한 압출력에 의하여 보다 미세한 결정입자를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 재료의 강도도 향상된다. In addition, the extrusion method is a method in which a powder or a molded product of this powder is put into a mold and molded while compressing the material in the mold using an extrusion punch. According to this method, finer crystal grains are formed by a strong extrusion force throughout the material. Not only can it be obtained, but also the strength of the material is improved.
이러한 열전재료의 압출 성형 금형 및 압출법에 관한 종래 기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-0181366호, 대한민국 공개특허공보 제2000-0028741호 및 일본 공개특허공보 특개2001-345487호 등이 있다.Conventional technologies related to such extrusion molding dies and extrusion methods of the thermoelectric material include Korean Patent Publication No. 10-0181366, Korean Patent Publication No. 2000-0028741, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-345487, and the like.
상기 대한민국 등록특허공보 제10-0181366호에는, Bi-Te를 용해하여 인고트를 제조하는 단계와, 상기 인고트를 300~450℃의 온도에서 열간압출하여 봉상 또는 정방형 형태로 성형하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기술이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제2000-0028741호에는 층상구조화합물의 결정입자를 함유하는 반도체재료를 하나의 축에 대하여 직교하는 적어도 3개의 방향에서 압압을 실시하는 것이 개시되어 있다. 또한, 일본 공개특허공보 특개2001-345487호는소정의 조성을 가지는 열전재료에 대해서 압출 다이스에 압출해 Z방향과 직교하는 Y방향에서 일정한 폭을 가지며, Z방향 및 Y방향과 직교하는 X방향에서 두께를 좁혀지는 방안이 개시되어 있다. In the Republic of Korea Patent Publication No. 10-0181366, the step of melting the Bi-Te to produce an ingot, and hot-extruded the ingot at a temperature of 300 ~ 450 ℃ formed into a rod or square form A technique characterized in that the present invention is disclosed, and Korean Laid-Open Patent Publication No. 2000-0028741 discloses that pressing a semiconductor material containing crystal grains of a layered structure compound in at least three directions orthogonal to one axis. It is. Further, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-345487 has a predetermined width in the Y direction orthogonal to the Z direction by extruding a thermoelectric material having a predetermined composition onto an extrusion die, and has a thickness in the X direction orthogonal to the Z direction and the Y direction. The method of narrowing is disclosed.
그러나 이러한 종래기술들의 문제점으로서 열전재료가 넓은 공간에서 좁은 공간의 성형 다이로 이동하는 동안 열전재료가 일축방향으로만 압착되어 열전재료의 균일한 열전 성능에 문제점이 나타난다. 열전재료의 일축방향의 배향성은 일정하여 열전달 성능이 좋은 반면에 다른 방향으로의 배향성이 균일하지 않아 열전달 성능에 차이가 나타나기 때문이다.However, as a problem of the prior arts, the thermoelectric material is squeezed only in the uniaxial direction while the thermoelectric material is moved from the large space to the molding die of the narrow space, thereby causing a problem in the uniform thermoelectric performance of the thermoelectric material. This is because the uniaxial orientation of the thermoelectric material is constant so that the heat transfer performance is good while the orientation in the other direction is not uniform, resulting in a difference in the heat transfer performance.
본원 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 개발된 것으로, 길이와 두께 방향의 배향을 유도하여 균일한 열전성능을 나타내는 열전재료를 제조하기 위한 성형 금형 및 성형장치를 제공하는 데에 있다. The present invention was developed to solve the above problems, and to provide a molding die and a molding apparatus for producing a thermoelectric material exhibiting a uniform thermoelectric performance by inducing the orientation of the length and thickness direction.
본원 발명의 또 다른 목적은 핫프레스, 냉간프레스 또는 열간 압출법 등 다양한 성형방법의 적용이 가능한 열전재료의 성형 금형 및 성형장치를 제공하는 데에 있다. Still another object of the present invention is to provide a molding die and a molding apparatus of a thermoelectric material which can be applied to various molding methods such as hot press, cold press or hot extrusion.
또한, 본원 발명은 균일한 열전성능을 나타내는 열전재료의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Moreover, an object of this invention is to provide the manufacturing method of the thermoelectric material which shows uniform thermoelectric performance.
본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여, 제1크기의 직경과 소정의 높이를 가지는 원기둥 형상의 내부 공간을 가지는 입구부; 상기 제1크기의 직경보다 좁은 가로폭과 제1크기의 직경보다 넓은 세로폭을 가지며 소정의 높이를 가지는 육면체 형상의 내부 공간을 가지는 출구부; 및 상기 입구부에서 출구부 방향으로 점차적으로 부피가 변화하는 변형유도부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전재료 성형용 금형 및 상부 프레스와 하부프레스를 포함하여 구성되는 장치를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention, the inlet portion having a cylindrical inner space having a diameter and a predetermined height of the first size; An outlet having a horizontal width narrower than the diameter of the first size and a vertical width wider than the diameter of the first size and having an hexahedral-shaped inner space having a predetermined height; And it provides a device comprising a mold for forming a thermoelectric material and the upper press and the lower press, characterized in that it comprises a deformation induction portion gradually changes in volume from the inlet to the outlet.
또한, 본원 발명은 열전재료를 상기 입구부에 투입하는 열전재료 투입단계; 투입된 열전재료는 상부 프레스와 하부프레스로 누름압력을 가하며 제1방향인 하방으로 압출하는 제1변형단계; 및 압출되는 열전재료를 상기 변형유도부를 통하여 상기 제1방향과 직교하고 서로 수직인 2축 방향으로 흐름을 유도하며 재압착하는(repress)하는 제2변형단계;를 통하여 상기 입구부 단면적보다 좁은 사각형 단면적을 가지는 열전소재로 변형하는 것을 특징으로 하는 열전재료의 성형방법을 제공한다.In addition, the present invention is a thermoelectric material input step of introducing a thermoelectric material to the inlet; The first thermoelectric material is the first deformation step of extruding downward in the first direction while applying a pressing pressure to the upper press and the lower press; And a second deformation step of inducing and repressing the extruded thermoelectric material in a biaxial direction perpendicular to the first direction and perpendicular to the first direction through the deformation guide part. Provided is a method for forming a thermoelectric material, characterized by deforming to a thermoelectric material having a cross-sectional area.
본원 발명에 따르면 투입된 열전재료는 상부 프레스와 하부프레스로 누름압력을 가하며 제1방향인 하방으로 압출하는 제1변형단계; 및 압출되는 열전재료를 상기 변형유도부를 통하여 상기 제1방향과 직교하고 서로 수직인 2축 방향으로 흐름을 유도하며 재압착하는(repress)하는 제2변형단계를 통하여 길이방향 뿐만 아니라 두께방향으로의 배향성을 유도할 수 있어 제조되는 열전재료는 배향성이 향상되는 장점이 있다.According to the present invention, the injected thermoelectric material is a first deformation step of extruding downward in the first direction while applying a pressing pressure to the upper press and the lower press; And a second deformation step of inducing and repressing the extruded thermoelectric material in a biaxial direction perpendicular to the first direction and perpendicular to the first direction through the deformation guide portion, in the longitudinal direction as well as the thickness direction. The thermoelectric material manufactured by inducing orientation can have an advantage of improving orientation.
또한, 본원 발명의 성형 금형 및 성형방법은 다양한 형태의 박형상 분말, 구형상 분말 및 응고법에 의해서 제조된 분말 형상의 열전재료 뿐만 아니라 핫프레스, 냉간프레스 또는 열간 압출법 등 다양한 종래기술의 제조방법에도 적용이 가능한 장점이 있다.In addition, the molding die and the molding method of the present invention is not only applied to various types of thin powders, spherical powders and powdery thermoelectric materials prepared by the solidification method, but also to various conventional manufacturing methods such as hot presses, cold presses or hot extrusion methods. There is an advantage that can be applied.
도 1은 본원 발명의 일 구현 예에 따른 열전재료의 성형 금형의 사시도이다.
도 2는 본원 발명의 또 다른 일 구현 예에 따른 열전재료의 성형 금형의 사시도이다.
도 3은 본원 발명의 일 구현 예에 따른 성형 금형을 이용한 열전재료 성형장치에 의한 열전재료의 성형 압출시 재료의 형태변화를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본원 발명의 일 구현 예에 따른 성형 금형을 이용한 열전재료 성형장치에 의한 열전재료의 성형 압출시 재료의 형태변화를 나타낸 단면도이다.1 is a perspective view of a molding die of a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of a molding die of a thermoelectric material according to another embodiment of the present invention.
Figure 3 is a cross-sectional view showing the shape change of the material during the extrusion molding of the thermoelectric material by the thermoelectric material molding apparatus using a molding die according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a cross-sectional view showing the shape change of the material during the molding extrusion of the thermoelectric material by the thermoelectric material molding apparatus using a molding die according to an embodiment of the present invention.
이하, 본원 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings for the present invention will be described in detail. The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as limiting in their usual or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best explain their invention in the best way possible. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.
먼저, 본원 발명에 따른 열전재료 성형용 금형에 대하여 설명하기로 한다. 본원 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 제1크기의 직경과 소정의 높이를 가지는 원기둥 형상의 내부 공간을 가지는 입구부; 상기 제1크기의 직경보다 좁은 가로폭과 제1크기의 직경보다 넓은 세로폭을 가지며 소정의 높이를 가지는 육면체 형상의 내부 공간을 가지는 출구부; 및 상기 입구부에서 출구부 방향으로 점차적으로 부피가 변화하는 변형유도부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전재료 성형용 금형을 제공한다.First, a mold for forming a thermoelectric material according to the present invention will be described. The present invention, in order to solve the above problems, the inlet having a cylindrical inner space having a diameter and a predetermined height of the first size; An outlet having a horizontal width narrower than the diameter of the first size and a vertical width wider than the diameter of the first size and having an hexahedral-shaped inner space having a predetermined height; And it provides a mold for forming a thermoelectric material characterized in that it comprises a deformation-inducing portion that gradually changes in volume from the inlet to the outlet.
도 1은 본원 발명의 일 구현 예에 따른 열전재료의 성형 금형의 사시도이다.도 1을 참조하면, 본원 발명의 열전재료 성형용 금형은 제1크기의 직경과 소정의 높이를 가지는 원기둥 형상의 내부 공간을 가지는 입구부(10); 상기 제1크기의 직경보다 좁은 가로폭과 제1크기의 직경보다 넓은 세로폭을 가지며 소정의 높이를 가지는 육면체 형상의 내부 공간을 가지는 출구부(20); 및 상기 입구부에서 출구부 방향으로 점차적으로 부피가 변화하는 변형유도부(30)를 포함하여 구성될 수 있다.1 is a perspective view of a molding die of a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the mold for forming a thermoelectric material of the present invention has a cylindrical shape having a diameter and a predetermined height of a first size. An
본원 발명의 일 구현예에 따른 열전재료 성형용 금형은 입구부(10)의 단면은 원형이고, 출구부(20)의 단면은 직사각형이나, 직사각형의 어는 한 가로폭 또는 세로폭은 원형의 직경보다 좁고 이와 직교하는 다른 세로폭 또는 가로폭은 넓은 것이 특징이다. 이러한 금형의 형태에 의하여, 투입된 열전소재는 일방향으로는 압축의 변형이 이루어지고 이와 직교하는 방향으로는 신장의 변형이 이루질 수 있다. 이러한 직교하는 2개 축으로의 압축변형과 신장변형의 점차적인 변화를 위하여 입구부(10)와 출구부(20) 사이에 변형유도부(30)가 형성되어 있다.Mold for forming a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention has a circular cross section of the
도 2는 본원 발명의 또 다른 일 구현 예에 따른 열전재료의 성형 금형의 사시도이다. 도 2를 참조하면, 본원 발명의 열전재료 성형용 금형은 제1크기의 가로폭과 제2크기의 세로폭을 가지는 육면체 형상의 내부 공간을 가지는 입구부(11); 상기 제1크기 보다 좁은 가로폭과 제2크기 보다 넓은 세로폭을 가지며 소정의 높이를 가지는 육면체 형상의 내부 공간을 가지는 출구부(21); 및 상기 입구부에서 출구부 방향으로 점차적으로 부피가 변화하는 변형유도부(31)를 포함하여 구성될 수 있다.2 is a perspective view of a molding die of a thermoelectric material according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the mold for forming a thermoelectric material according to the present invention includes an
본원 발명의 일 구현예에 따른 열전재료 성형용 금형은 입구부(11)의 단면은 사각형이고, 출구부(21)의 단면 또한 사각형이나 출구부의 단면은 입구부의 단면보다 어느 한 가로폭 또는 세로폭이 좁고 이와 직교하는 다른 세로폭 또는 가로폭은 넓은 것이 특징이다. 이러한 금형의 형태에 의하여, 투입된 열전소재는 일방향으로는 압축의 변형이 이루어지고 이와 직교하는 방향으로는 신장의 변형이 이루질 수 있다. 이러한 직교하는 2개 축의 방향으로의 압축변형과 신장변형의 점차적인 변화를 위하여 입구부(11)와 출구부(21) 사이에 변형유도부(31)가 형성되어 있다.In the mold for thermoelectric material molding according to the embodiment of the present invention, the cross section of the
다음으로, 본원 발명에 따른 열전재료 성형장치에 대하여 설명한다. 본원 발명에 따른 열전재료 성형장치는 전술한 열전재료 성형용 금형, 상기 금형의 입구부 상단에 구비되고 입구부의 내부로 삽입되는 상부 프레스(40); 및 상부 금형의 출구부 하단에 구비되고 출구부의 내부로 삽입되는 하부 프레스(50)를 포함하여 구성될 수 있다.Next, a thermoelectric material molding apparatus according to the present invention will be described. Thermoelectric material forming apparatus according to the present invention is the above-mentioned thermoelectric material molding mold, the
도 3은 본원 발명의 일 구현 예에 따른 성형 금형을 이용한 열전재료 성형장치에 의한 열전재료의 성형 압출시 재료의 형태변화를 나타낸 단면도이다.Figure 3 is a cross-sectional view showing the shape change of the material during the extrusion molding of the thermoelectric material by the thermoelectric material molding apparatus using a molding die according to an embodiment of the present invention.
본원 발명에 따른 열전재료 성형 장치는 바람직하게는 2가지 형태의 금형을 필요에 따라 선택적으로 이용할 수 있다. 우선은 도 1에 나타낸 제1크기의 직경과 소정의 높이를 가지는 원기둥 형상의 내부 공간을 가지는 입구부(10); 상기 제1크기의 직경보다 좁은 가로폭과 제1크기의 직경보다 넓은 세로폭을 가지며 소정의 높이를 가지는 육면체 형상의 내부 공간을 가지는 출구부(20); 및 상기 입구부에서 출구부 방향으로 점차적으로 부피가 변화하는 변형유도부(30)를 포함하여 구성되는 금형을 이용할 수 있고, 또 다른 형태로는 도 2에 나타낸 제1크기의 가로폭과 제2크기의 세로폭을 가지는 육면체 형상의 내부 공간을 가지는 입구부(11); 상기 제1크기 보다 좁은 가로폭과 제2크기 보다 넓은 세로폭을 가지며 소정의 높이를 가지는 육면체 형상의 내부 공간을 가지는 출구부(21); 및 상기 입구부에서 출구부 방향으로 점차적으로 부피가 변화하는 변형유도부(31)를 포함하여 구성되는 금형을 이용할 수 있는데 이는 성형 이전의 열전재료의 종류 및 형상에 따라 적절한 형태의 금형을 이용하는 것이 바람직하다. In the thermoelectric material molding apparatus according to the present invention, preferably, two types of molds may be selectively used as necessary. First, the
특히, 성형전의 열전재료가 재료의 용융에 의해서 제조되는 잉곳(ingot)의 형태인 경우에는 원형의 입구부 단면을 가지는 금형을 선택하는 것이 보다 바람직하나, 분말형상의 재료의 경우에는 어느 형태의 금형을 사용하여도 무방하다.In particular, when the thermoelectric material before molding is in the form of an ingot manufactured by melting of the material, it is more preferable to select a mold having a circular inlet cross section, but in the case of a powder-like material, a mold of any shape is used. You can also use.
일반적으로 압출법을 사용하는 금형 또는 성형장치의 경우에는 금형의 상부에 구성되는 단일의 프레스만으로도 충분히 열전소재를 압출성형이 가능하다. 그러나 본원 발명과 같이 길이 및 두께 방향으로 고른 변형을 위하여 투입된 열전소재가 일방향으로는 압축의 변형이 이루어지고 이와 직교하는 방향으로는 신장의 변형이 이루도록 하는 경우에는 보다 다른 형태의 금형과 이러한 금형에 적합한 프레스가 요구된다. 따라서 전출한 바와 같이 본원 발명에서는 변형유도부를 필수적으로 구비한 도 1 및 도 2에 나타낸 형태의 금형이 사용되는 것이 바람직하고, 이러한 금형에 있어서는 금형의 출구부 또는 하단에 별도의 또 하나의 프레스가 구비되는 것이 바람직하다. 즉, 금형의 입구부(10) 상단에 구비되고 입구부의 내부로 삽입될 수 있는 형태의 상부 프레스(40)와 금형의 출구부(20) 하단에 구비되고 출구부의 내부로 삽입될 수 있는 형태의 하부 프레스(50)가 구비되는 것이 바람직하다.In general, in the case of a die or a molding apparatus using an extrusion method, the thermoelectric material can be sufficiently extruded by a single press formed on the upper part of the mold. However, in the case where the thermoelectric material injected for uniform deformation in the length and thickness directions of the present invention is to be deformed in compression in one direction and elongated in the orthogonal direction, different types of molds and molds are formed. A suitable press is required. Therefore, in the present invention, it is preferable to use a mold of the type shown in Figs. 1 and 2, which is essentially provided with a deformation guide portion, and in this mold, another press is provided at the exit or bottom of the mold. It is preferred to be provided. That is, the
다음으로, 본원 발명에 따른 열전재료 성형방법에 대하여 설명한다. 본원 발명에 따른 열전재료 성형방법는 전술한 열전재료 성형 장치를 이용하여 열전재료를 상기 입구부에 투입하는 열전재료 투입단계; 투입된 열전재료는 상부 프레스와 하부프레스로 누름압력을 가하며 제1방향인 하방으로 압출하는 제1변형단계; 및 압출되는 열전재료를 상기 변형유도부를 통하여 상기 제1방향과 직교하고 서로 수직인 2축 방향으로 흐름을 유도하며 재압착하는(repress)하는 제2변형단계;를 통하여 상기 입구부 단면적보다 좁은 사각형 단면적을 가지는 열전소재로 변형하는 것을 특징으로 한다.Next, a thermoelectric material molding method according to the present invention will be described. Thermoelectric material molding method according to the invention is a thermoelectric material input step of injecting the thermoelectric material to the inlet using the above-mentioned thermoelectric material molding apparatus; The first thermoelectric material is the first deformation step of extruding downward in the first direction while applying a pressing pressure to the upper press and the lower press; And a second deformation step of inducing and repressing the extruded thermoelectric material in a biaxial direction perpendicular to the first direction and perpendicular to the first direction through the deformation guide part. It is characterized by deforming to a thermoelectric material having a cross-sectional area.
도 3과 도 4는 본원 발명의 일 구현 예에 따른 성형 금형을 이용한 열전재료의 성형 압출시 재료의 형태변화를 나타낸 단면도로, 입구부에 투입된 열전재료는 상부 프레스(40)의 누름압력에 의하여 입구부(10)를 통하여 압출이 이루어진다. 이때 투입되는 열전재료는 그 형태가 원기둥 또는 직사각 기둥의 형상일 수 있고 분말 형태일 수도 있다. 특히, 분말 형태의 경우에는 하부 프레스(50)가 금형의 출구부(20)의 안쪽으로 먼저 위치하는 것이 바람직하다. 열전재료가 금형의 안쪽에 투입된 이후 상부 프레스(40)의 누름압력의 작용 및 이에 대응하는 하부 프레스(50)의 반작용에 의하여 투입된 열전재료는 압력이 유지된 채로 금형의 내부공간을 따라서 하방으로 이동하면서 제1방향인 하방으로 압출하는 제1변형단계 및 변형유도부(20)를 통하여 상기 제1방향과 직교하고 서로 수직인 2축 방향으로 흐름을 유도하며 재압착하는(repress)하는 제2변형단계를 통하여 길이방향 뿐만 아니라 두께방향으로의 배향이 유도된다.3 and 4 are cross-sectional views showing the shape change of the material during the molding extrusion of the thermoelectric material using a molding die according to an embodiment of the present invention, the thermoelectric material injected into the inlet portion by the pressing pressure of the
본원 발명에 따른 열전재료의 성형방법에 있어서, 상기 열전재료는 Ⅴ족원소로서 비스무스(Bi) 또는 안티몬(Sb), Ⅵ족원소로서 셀레늄(Se) 및 테루르륨(Te)에서 각각 선택된 1종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다. 보다 구체적인 열전재료로는 P형 열전재료로 텔루르화 비스무트(Bi2Te3)와 텔루르화 안티몬(Sb2Te3) 등을 들 수 있다. PbTe계, PbSe계, Zn4Sb3계, SiGe계, FeSi2계, Mg2Si계, MgGe계, MX3화합물(M= Co, Rh, Ir, X=P, As, Sb), RM'4X12화합물(R=La, Ce, Eu, Yb 등, M'=Fe, Ru, Os), NaCo2O4계, Ca3Co4O9계 등을 들 수 있다.In the method for forming a thermoelectric material according to the present invention, the thermoelectric material is at least one selected from bismuth (Bi) or antimony (Sb) as a group V element, selenium (Se) and terrium (Te) as a group VI element, respectively. It may consist of a mixture. More specific thermoelectric materials include bismuth telluride (Bi2Te3) and antimony telluride (Sb2Te3) as P-type thermoelectric materials. PbTe based, PbSe based, Zn 4 Sb 3 based, SiGe based, FeSi 2 based, Mg 2 Si based, MgGe based, MX 3 compounds (M = Co, Rh, Ir, X = P, As, Sb), RM ' 4 X there may be mentioned compound 12, etc. (R = La, Ce, Eu , Yb , etc., M '= Fe, Ru, Os), NaCo 2 O 4 type, Ca 3 Co 4 O 9 based.
본원 발명에 따른 열전재료의 성형방법에 있어서, 상기 열전재료는 급냉롤법에 의해 제조된 박형상분말과, 원심아토마이즈법을 포함하는 급냉응고법으로 제조된 구형상분말 또는 일방향 응고법에 의해 얻어진 재료를 분쇄하여 제조된 분말, 기계적 합금화 법으로 제조한 분말로 이루어지는 군에서 선택될 수 있다.In the method of forming a thermoelectric material according to the present invention, the thermoelectric material is pulverized a thin powder prepared by a quench roll method, a spherical powder prepared by a quench solidification method including a centrifugal atomization method or a material obtained by a one-way solidification method. Powder prepared by the present invention, and a powder produced by a mechanical alloying method.
본원 발명에 따른 열전재료의 성형방법에 있어서, 상기 성형방법은 핫프레스, 냉간프레스 또는 열간 압출법을 조합하여 적용이 가능하다. 예를 들면, Bi-Te를 용해하여 잉곳(ingot)를 제조하고, 잉곳을 파쇄하여 분말을 제조하고, 분말을 냉간프레스를 이용하여 상온에서 20~100MPa의 압력하에 입구부와 적합한 형상으로 성형한다. 이후 이를 N형, P형에 무관하게 300~550℃의 온도와 30~100MPa의 압력하에서 성형 및 소결하여 분말의 치밀화를 유도하며, 소결 공정은 열간 프레스 또는 방전 플라즈마 소결 장치를 이용할 수 있으며, 소결 시간은 장치와 공정 온도에 따라 최소 5분에서 최대 60시간까지 진행할 수 있다. 제조한 빌렛은 300~550℃의 온도에서 N, P형에 무관하게 열간압출하며, 압출 속도는 1~10mm/min.이내에서 일정한 압력을 인가한다. 이 방법은 Bi-Te 계 열전 반도체를 제작할 때 더욱 효과적이다. In the method of forming a thermoelectric material according to the present invention, the forming method may be applied by combining a hot press, a cold press or a hot extrusion method. For example, Bi-Te is dissolved to prepare an ingot, crushed the ingot to prepare a powder, and the powder is molded into a suitable shape with the inlet part under a pressure of 20 to 100 MPa at room temperature using a cold press. . Then, it is molded and sintered at a temperature of 300 to 550 ° C. and a pressure of 30 to 100 MPa irrespective of N-type or P-type to induce densification of the powder. The sintering process may use a hot press or a discharge plasma sintering apparatus. The time can range from a minimum of 5 minutes to a maximum of 60 hours, depending on the device and process temperature. The manufactured billet is hot-extruded regardless of N and P type at a temperature of 300 to 550 ° C., and a constant pressure is applied within an extrusion rate of 1 to 10 mm / min. This method is more effective when fabricating Bi-Te based thermoelectric semiconductors.
10, 11: 입구부
20, 21: 출구부
30, 31: 변형유도부
40: 상부 프레스
50: 하부 프레스10, 11: entrance
20, 21: exit section
30, 31: deformation induction part
40: upper press
50: lower press
Claims (7)
상기 제1크기의 직경보다 좁은 가로폭과 제1크기의 직경보다 넓은 세로폭을 가지며 소정의 높이를 가지는 육면체 형상의 내부 공간을 가지는 출구부; 및
상기 입구부에서 출구부 방향으로 점차적으로 부피가 변화하는 변형유도부를 포함하여 구성되는 열전재료 성형용 금형과
상기 금형의 입구부 상단에 구비되고 입구부의 내부로 삽입되는 상부 프레스; 및
상부 금형의 출구부 하단에 구비되고 출구부의 내부로 삽입되는 하부 프레스를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전재료 성형장치.An inlet having a cylindrical inner space having a diameter and a predetermined height of a first size;
An outlet having a horizontal width narrower than the diameter of the first size and a vertical width wider than the diameter of the first size and having an hexahedral-shaped inner space having a predetermined height; And
A mold for forming a thermoelectric material including a deformation induction part gradually changing in volume from the inlet to the outlet;
An upper press provided at an upper end of the inlet of the mold and inserted into the inlet; And
The thermoelectric material molding apparatus, characterized in that it comprises a lower press which is provided at the lower end of the outlet of the upper mold and inserted into the outlet.
상기 제1크기 보다 좁은 가로폭과 제2크기 보다 넓은 세로폭을 가지며 소정의 높이를 가지는 육면체 형상의 내부 공간을 가지는 출구부; 및
상기 입구부에서 출구부 방향으로 점차적으로 부피가 변화하는 변형유도부를 포함하여 구성되는 열전재료 성형용 금형과
상기 금형의 입구부 상단에 구비되고 입구부의 내부로 삽입되는 상부 프레스; 및
상부 금형의 출구부 하단에 구비되고 출구부의 내부로 삽입되는 하부 프레스를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전재료 성형장치.An inlet having a hexahedron-shaped inner space having a first width and a second width;
An outlet having a narrower width than the first size and a wider width than the second size and having an hexahedral inner space having a predetermined height; And
A mold for forming a thermoelectric material including a deformation induction part gradually changing in volume from the inlet to the outlet;
An upper press provided at an upper end of the inlet of the mold and inserted into the inlet; And
The thermoelectric material molding apparatus, characterized in that it comprises a lower press which is provided at the lower end of the outlet of the upper mold and inserted into the outlet.
열전재료를 상기 입구부에 투입하는 열전재료 투입단계;
투입된 열전재료는 상부 프레스와 하부 프레스로 누름압력을 가하며 제1방향인 하방으로 압출하는 제1변형단계; 및
압출되는 열전재료를 상기 변형유도부를 통하여 상기 제1방향과 직교하고 서로 수직인 2축 방향으로 흐름을 유도하며 재압착하는(repress)하는 제2변형단계;를 통하여 상기 입구부 단면적보다 좁은 사각형 단면적을 가지는 열전소재로 변형하는 것을 특징으로 하는 열전재료의 성형방법.In the method for forming a thermoelectric material using the thermoelectric material molding apparatus according to claim 1 or 2,
A thermoelectric material input step of introducing a thermoelectric material to the inlet;
The first thermoelectric material is a first deformation step of extruding downward in the first direction while applying a pressing pressure to the upper press and the lower press; And
A second deformation step of inducing and repressing the extruded thermoelectric material in a two-axis direction orthogonal to the first direction and perpendicular to the first direction through the deformation guide portion; a rectangular cross-sectional area narrower than the inlet cross-sectional area; Forming method of thermoelectric material, characterized in that the deformation into a thermoelectric material having a.
상기 열전재료는 Ⅴ족원소로서 비스무스(Bi) 또는 안티몬(Sb), Ⅵ족원소로서 셀레늄(Se) 및 테루르륨(Te)에서 각각 선택된 1종 이상의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전재료의 성형방법 .The method according to claim 4,
The thermoelectric material is a method of forming a thermoelectric material comprising at least one mixture selected from bismuth (Bi) or antimony (Sb) as a group V element, and selenium (Se) and terrium (Te) as a group VI element, respectively. .
상기 열전재료는 급냉롤법에 의해 제조된 박형상 분말과, 원심아토마이즈법 을 포함하는 급냉응고법으로 제조된 구형상 분말 또는 일방향 응고법에 의해 얻어진 재료를 분쇄하여 제조된 분말로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 성형방법.The method according to claim 4,
The thermoelectric material is selected from the group consisting of a thin powder prepared by a quench roll method, a spherical powder prepared by a quench solidification method including a centrifugal atomization method or a powder prepared by pulverizing a material obtained by a one-way solidification method. Forming method of thermoelectric material.
상기 성형방법은 핫프레스, 냉간프레스 또는 열간 압출법을 적용하는 것을 특징으로 하는 열전재료의 성형방법.The method according to claim 4,
The molding method is a method of forming a thermoelectric material, characterized in that by applying a hot press, cold press or hot extrusion method.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |