KR20020006338A - Method of producing thermoelectric transform materials by using the gas atomixation and the hot forming process - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a Bi2Te3-based thermoelectric conversion material using a gas atomization process and a hot molding process is provided to guarantee a fine structure of a uniform single solid solution which has a uniform composition and doesn't almost have segregation, by using a gas atomization process to manufacture n-type and p-type Bi2Te3-based alloy powder which has a fine structure and is chemically uniform. CONSTITUTION: Sb2Te3 and Bi2Se3-added Bi2Te3-based alloy as an n-type composition and Bi2Te3-added Sb2Te3-based alloy as a p-type composition are used as a basic material, and are melted in a furnace which maintains a vacuum state of a predetermined pressure or an atmosphere of argon or nitrogen. The melted alloy is used to manufacture thermoelectric semiconductor powder which has a uniform structure and a fine spherical shape. The thermoelectric semiconductor powder is reduced. The reduced powder is cooling-molded and degassed. The cooling-molded material is hot-molded.

Description

급속응고 가스 분무법과 열간 성형가공법을 이용한 Bi₂Te₃계 열전변환재료의 제조방법{Method of producing thermoelectric transform materials by using the gas atomixation and the hot forming process}Method of producing thermoelectric transform materials by using the gas atomixation and the hot forming process}

본 발명은 급속응고법의 일환인 가스분무법(gas atomization)을 이용하여 조성이 균일하고 조직이 미세하며 균질한 P형 및 N형 Bi2Te3계 열전재료를 구형의 분말형태로 제조하고 후속 가공공정으로서 환원처리 및 열간 소성가공을 수행함으로써, 기존의 공정에 비해 기계적 강도가 우수하고 열전성능도 확보되는 대량생산용 P형 및 N형 Bi2Te3계 열전 성형체를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention uses the gas atomization (part of rapid solidification method) to prepare uniform P-type and N-type Bi 2 Te 3- based thermoelectric materials with uniform composition, fine structure and spherical powder form and subsequent processing The present invention relates to a method for producing P-type and N-type Bi 2 Te 3 -based thermoelectric molded products for mass production, which have superior mechanical strength and thermoelectric performance compared to conventional processes by performing reduction treatment and hot plastic working.

열전반도체 재료는, 재료양단에 온도차가 존재하는 경우 전자나 정공이 저온쪽으로 확산하여 기전력이 발생하게되는 제벡(Seebeck)효과, 이종재료를 연결한 회로에 직류를 흘렸을 때 양 접합부에 각각 발열 및 흡열현상이 발생하고 전류의 방향을 반대로 하면 이 관계가 서로 바뀌는 현상을 이용한 펠티에(Peltier) 효과, 일정한 길이를 가진 균일한 조성의 재료 양단의 온도가 다르고 길이방향으로 직류가 흐르면 온도분포를 일정하게 유지하기 위해 물질내부에 흡열 또는 발열현상이 발생한다는 톰슨 (Thomson) 효과를 이용하여 열에너지를 전기 에너지로, 또는 전기 에너지를 열에너지로 직접 변환시키는 기능을 갖는 재료이다.The thermoelectric semiconductor material has a Seebeck effect in which electrons or holes are diffused to a lower temperature when there is a temperature difference across the material, and heat is generated and endothermic at both junctions when a direct current is applied to a circuit connecting dissimilar materials. When the phenomenon occurs and the direction of the current is reversed, the Peltier effect using the phenomenon that the relationship is changed with each other, and the temperature distribution is kept constant when direct current flows in the longitudinal direction when the temperature of both ends of the material of uniform composition with a certain length is different In order to achieve the endothermic or exothermic phenomena in the material, the Thomson effect is used to convert thermal energy into electrical energy or directly into thermal energy.

이 원리를 이용하여 열전반도체 재료는 미래형 에너지분야인 열전발전 (thermoelectric power generation)이나 열전냉각(thermoelectric cooling) 분야에 이용될 수 있어서 적외선 센서, 레이저 다이오우드 및 CCD 소자의 focal plate 냉각 등 각종 전자기기나 IC 제품의 국부냉각용으로 응용되고 있으며, 이 외에 의료용이나 과학용 항온장치 및 열전냉각용 냉장고, 에어컨 및 열교환기 분야에도 적용되고 있다.By using this principle, thermoelectric semiconductor materials can be used in the fields of thermoelectric power generation and thermoelectric cooling, which are future energy fields, so that various electronic devices such as infrared sensors, laser diodes and focal plate cooling of CCD devices can be used. It is applied to local cooling of IC products, and is also applied to medical and scientific thermostats, thermoelectric cooling refrigerators, air conditioners and heat exchangers.

실온부근에서 성능지수가 높아 냉각용 열전재료로 각광 받고 있는 Bi2Te3계 열전재료는 기존의 단결정 제조법을 이용하여 제조할 경우, 단위정이 마름모 (Rhombohedral)로서 밑면(basal plane)이 벽계면이 되므로 전기적, 열전특성에 강한 이방성을 갖게 하며 가공시 벽계면을 따라 쉽게 쪼개지기 때문에 재료의 적지 않은 손실과 가공상의 어려움을 갖고 있다.Bi 2 Te 3 based thermoelectric materials, which are spotlighted as cooling thermoelectric materials due to their high performance index near room temperature, are manufactured by the conventional single crystal manufacturing method, and the unit crystals are rhombohedral. Therefore, it has strong anisotropy in electrical and thermoelectric properties, and because it breaks easily along the wall interface during processing, it has a considerable loss of materials and processing difficulties.

또한, 주조-분쇄법을 이용하여 분말야금의 형태로 제조하면, 주조제품 자체가 편석이 심한 불균질 조직을 형성하여 분쇄 후에도 편석의 존재, 분쇄매개체에 의한 분순물 혼입, 조직의 조대화 등에 기인한 열전특성 및 강도 저하의 원인이 되며 또한 생산성의 저하가 단점이 되고 있다.In addition, when the powder is manufactured in the form of powder metallurgy using the casting-grinding method, the cast product itself forms a highly heterogeneous structure, which is caused by the presence of segregation even after grinding, incorporation of impurities in the grinding media, and coarsening of the tissue. It is a cause of deterioration of thermoelectric properties and strength, and a decrease in productivity is a disadvantage.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 가스분무법을 이용하여 조성이 균일하고 조직이 미세한 구형의 Bi2Te3계 열전재료를 제조하고, 계속해서 열간단조, 열간압출, 소결 등의 열간 소성가공법을 이용하여 고강도와 우수한 열전특성을 보유한 열전반도체 성형체를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, the object of the present invention is to produce a spherical Bi 2 Te 3 type thermoelectric material of uniform composition and fine structure by using the gas spray method, and subsequently hot The present invention provides a method of manufacturing a thermoelectric semiconductor molded body having high strength and excellent thermoelectric properties by using a hot plastic working method such as forging, hot extrusion, and sintering.

도 1은 본 발명에 따른 급속응고 가스 분무법을 이용하여 n형 및 p형 열전반도체 합금분말을 제조하기에 적합한 급속응고 가스분무장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,1 is a view schematically showing the configuration of a rapid solidification gas spraying apparatus suitable for producing n-type and p-type thermoelectric semiconductor alloy powder using a rapid solidification gas spray method according to the present invention,

도 2는 도 1의 급속응고 가스분무장치에서 제조된 열전반도체 합금분말의 산화막을 제거하기위한 환원장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,FIG. 2 is a view schematically illustrating a configuration of a reducing apparatus for removing an oxide film of a thermoelectric semiconductor alloy powder manufactured in the rapid solidification gas spraying apparatus of FIG. 1;

도 3은 도 2의 환원장치에서 환원처리된 냉간성형체를 소성가공하기 위한 열간단조장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,3 is a view schematically showing the configuration of a hot forging apparatus for plastic processing the cold-formed body reduced in the reducing apparatus of FIG.

도 4는 도 2의 환원장치에서 환원처리된 냉간성형체를 소성가공하기 위한 열간압출장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면, 그리고4 is a view schematically showing the configuration of a hot extrusion apparatus for plastic processing the cold-formed body reduced in the reducing apparatus of FIG.

도 5는 도 2의 환원장치에서 환원처리된 냉간성형체를 소성가공하기 위한 소결로의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a view schematically illustrating a configuration of a sintering furnace for plastic processing cold-formed bodies that have been reduced in the reducing apparatus of FIG. 2.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 급속응고 가스분무장치 11 : 합금용융장치10: rapid solidification gas spraying device 11: alloy melting device

13 : 도가니 15 : 고주파 유도로13: crucible 15: high frequency induction furnace

17 : 열전대 19 : 진공장치17: thermocouple 19: vacuum device

21 : 오리피스 23 : 스토퍼21: Orifice 23: Stopper

31 : 급속응고장치 33 : 가스공급기31: rapid solidification device 33: gas supply

35 : 에어노즐 37 : 챔버35: air nozzle 37: chamber

39,51 : 분말수집용기 47 : 사이클론39,51: powder collection container 47: cyclone

60 : 환원장치 70 : 열간단조장치60: reducing device 70: hot forging device

80 : 열간압출장치 90 : 소결로80: hot extrusion device 90: sintering furnace

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은,In order to achieve the above object, the present invention,

n형 조성인 Sb2Te3와 Bi2Se3첨가 Bi2Te3계 합금, 그리고 p형 조성인 Bi2Te3첨가 Sb2Te3계 합금을 기본 재료로서 일정압력의 진공 또는 아르곤이나 질소 분위기가 유지되는 로내에서 용융하고 용융된 합금을 가스분무법을 이용하여 조직이 균일하고 미세한 구형의 열전반도체 분말을 제조하는 단계(S1);n-type composition of Sb 2 Te 3 and Bi 2 Se 3 adding Bi 2 Te 3 based alloys, and the p-type composition of Bi 2 Te 3 is added Sb 2 Te 3 based alloys a vacuum or an argon or a nitrogen atmosphere at a predetermined pressure as the base material Manufacturing a molten and molten alloy in a furnace where gas is maintained by using a gas spraying method to produce a uniform and fine spherical thermoelectric powder (S1);

제조된 열전반도체 분말을 환원시키는 단계(S2);Reducing the prepared thermoconductor powder (S2);

환원 분말을 냉간성형하고 탈가스시키는 단계(S3); 그리고Cold forming and degassing the reducing powder (S3); And

상기 단계(S3)로부터 얻어진 냉간성형체를 열간성형하는 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 Bi2Te3계 열전변환재료의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a Bi 2 Te 3 system thermoelectric conversion material comprising the step (S4) of hot forming the cold-formed body obtained from the step (S3).

상기 단계(S1)에서는, 상기 기본 재료에 도판트로서 n형의 경우 CdCl2및 Sbi2를 첨가하고 p형의 경우 Te을 첨가한다.In the step (S1), in the case of a n-type dopant in the base material is added to CdCl 2 and Sbi 2 was added to the case of p-Te.

또한, 상기 단계(S4)에서는, 상기 냉간성형체를 열간단조장치, 열간압출장치 또는 소결로 내에 장입한후 예열하고 가압성형, 압출성형 또는 열간소결하여 밀도가 높고 굽힘강도와 열전성능이 우수한 성형체를 얻는다.In addition, in the step (S4), the cold molded body is charged into a hot forging device, a hot extrusion device or a sintering furnace, and then preheated and press-molded, extruded or hot sintered to obtain a molded product having high density, excellent bending strength and thermoelectric performance. Get

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따르면, Bi2Te3계 열전반도체합금을 제조하는데 있어 급속응고법의 일환인 가스분무법(gas atomization)을 이용하여 조직이 미세하고 화학적으로 균질한 급속응고 n형 및 p형 Bi2Te3계 합금분말을 제조함으로써, 조성이 균일하고 편석이 거의 없는 균질한 단일 고용체의 미세조직을 얻는다. 또한, 이렇게 얻어진 합금분말을 환원 및 탈가스 처리한 후, 열간단조, 열간압출 및 열간소결공정 등의 열간성형법을 이용하여 굽힘강도가 높고 열전성능도 비교적 우수한 n형 및 p형 Bi2Te3계 합금 성형체를 제조한다.As mentioned above, according to the present invention, in the preparation of the Bi 2 Te 3 based thermoconductor alloy, the rapid solidification n-type of the microstructure and chemically homogeneous structure by using gas atomization as part of the rapid solidification method And p-type Bi 2 Te 3 -based alloy powder, to obtain a homogeneous single solid microstructure having a uniform composition and little segregation. After the alloy powder thus obtained is reduced and degassed, the n-type and p-type Bi 2 Te 3 system having high bending strength and comparatively excellent thermoelectric performance by using hot forming methods such as hot forging, hot extrusion and hot sintering processes. An alloy molding is produced.

이하, 첨부된 도면들을 참조로하여 본 발명에 따른 Bi2Te3계 열전변환재료의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of manufacturing a Bi 2 Te 3 based thermoelectric conversion material according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 Bi2Te3계 열전반도체 분말을 제조하는데 사용하기에 적합한 급속응고 가스분무장치(10)는 주로 합금용융장치(11)와 그 아래 배치된 급속응고장치(31)를 구비한다.As shown in FIG. 1, the rapid solidification gas spraying device 10 suitable for use in manufacturing the Bi 2 Te 3 based thermoelectric semiconductor powder according to the present invention is mainly an alloy melting device 11 and a rapid solidification disposed thereunder. Apparatus 31 is provided.

먼저, 합금용융장치(11)는 Bi2Te3계 열전반도체용 합금을 담기 위한 도가니(13), 도가니(13)를 가열하여 합금을 용융하기 위해 도가니(13) 주위를 에워싸고 있는 고주파 유도로(15), 용탕의 온도를 측정하기 위해 도가니(13) 내에 설치되는 열전대(17). 도가니(13)와 고주파 유도로(15)의 발열부를 에워싸고 있는 진공챔버(19), 개방시에 용탕이 외부로 자유낙하할 수 있도록 도가니(13)의 하부에 있는 보온로(도시되지 않음)에 설치된 오리피스(21), 그리고 오리피스(21)를 개방 및 폐쇄시키기 위한 스토퍼(23)를 구비한다.First, the alloy melting apparatus 11 is a high frequency induction furnace that surrounds the crucible 13 to heat the crucible 13 and the crucible 13 to contain an alloy for the Bi 2 Te 3 type thermoelectric semiconductor. (15), The thermocouple 17 provided in the crucible 13 for measuring the temperature of molten metal. Vacuum chamber 19 which surrounds the heat generating part of the crucible 13 and the high frequency induction furnace 15, and the heat insulation furnace in the lower part of the crucible 13 so that a molten metal can fall freely outside when it opens. An orifice 21 installed in the stopper and a stopper 23 for opening and closing the orifice 21.

고주파유도로(15)에 의해서 가열되는 도가니(13) 내에서 진공 또는 가스 분위기하에 용융된 Bi2Te3계 열전반도체 합금 용탕은 스토퍼(23)를 작동시켜 오리피스(21)를 개방함에 따라, 그 아래에 배치된 급속응고장치(31)의 챔버(37)속으로 자유낙하하게 된다.In the crucible 13 heated by the high-frequency induction path 15, the Bi 2 Te 3 -based thermoconductor alloy molten metal melted in a vacuum or gas atmosphere is operated by opening the stopper 23 to open the orifice 21. Free fall into the chamber 37 of the rapid solidification device 31 disposed below.

급속응고장치(31)는 챔버(37) 내로 고압의 질소가스 또는 공기를 공급하기 위한 가스공급기(33), 합금 용융 장치(11)의 오리피스(21)를 에워싸고 가스공급기(33)로부터 공급되는 고압의 가스를 오리피스(21)를 통해 방출되는 용탕의 줄기에 분사시키는 에어노즐(35), 오리피스(21)를 통과한 용탕줄기가 분사되는 고압의 가스와 충돌하여 제조되는 열전반도체 분말이 낙하하는 상기 챔버(37) 및 급속응고된 합금분말을 수집하기 위한 1차 분말수집용기(39)를 구비한다.The rapid solidification device 31 surrounds the gas supply 33 for supplying high pressure nitrogen gas or air into the chamber 37, the orifice 21 of the alloy melting device 11 and is supplied from the gas supply 33. The air nozzle 35 which injects the high pressure gas to the stem of the molten metal discharged through the orifice 21, and the thermoconductor powder which collides with the high pressure gas which the molten stem which passed through the orifice 21 are sprayed fall The chamber 37 and the primary powder collection container 39 for collecting the rapidly solidified alloy powder.

질소가스 공급기(33)로부터 분사노즐(35)로 연통하는 공급통로(41)에는 질소가스를 공급 및 차단하기 위한 솔레노이드 밸브(43) 및 가스공급기(33)로부터 공급되는 질소 또는 공기의 압력을 조절하기 위한 압력조절기(45)가 설치된다. 챔버(37)의 크기는 급속응고중에 합금분말이 충분히 냉각되도록 응고되는 합금분말의 비행거리를 고려하여 결정된다. 챔버(37)의 외부 일측에 배치된 사이클론(47)의측벽에는 사이클론(47) 내에서 발생되는 가스를 배기하기 위한 가스 배출구(49)가 설치되고, 사이클론(47)의 하부에는 사이클론(47)에 의해 1차 분말 수집용기(39)로부터 반송된 분말을 수집하는 2차 분말 수집용기(51)가 제공된다. 챔버(37)의 상부의 측벽에는 투시창(55)이 설치되어, 챔버(37)내에서 응고되는 합금분말이 질소가스에 의해 분무되는 상태를 챔버(37) 외부에서 관찰할 수 있게 한다.The supply passage 41 communicating with the injection nozzle 35 from the nitrogen gas supply 33 controls the pressure of nitrogen or air supplied from the solenoid valve 43 and the gas supply 33 for supplying and blocking nitrogen gas. Pressure regulator 45 for the purpose is installed. The size of the chamber 37 is determined in consideration of the flight distance of the alloy powder solidified so that the alloy powder is sufficiently cooled during rapid solidification. A gas outlet 49 for exhausting gas generated in the cyclone 47 is provided at a side wall of the cyclone 47 disposed at an outer side of the chamber 37, and a cyclone 47 is disposed below the cyclone 47. The secondary powder collection container 51 which collects the powder conveyed from the primary powder collection container 39 is provided. A viewing window 55 is provided on the side wall of the upper portion of the chamber 37 so that the alloy powder solidified in the chamber 37 can be sprayed by nitrogen gas to observe the outside of the chamber 37.

이와같이 구성된 급속응고 가스분무장치(10)를 이용하여 조직이 미세하고 균일한 Bi2Te3계 열전반도체 합금분말을 제조하는 과정을 간략하게 설명한다.The process of manufacturing a fine and uniform Bi 2 Te 3 based thermoelectric alloy powder using a rapid solidification gas spraying device 10 configured as described above will be briefly described.

n형 조성인 Sb2Te3와 Bi2Se3첨가 Bi2Te3계 합금, 그리고 p형 조성인 Bi2Te3첨가 Sb2Te3계 합금을 기본 재료로 취하고 필요에 따라 도판트로서 n형의 경우 CdCl2및 Sbi2를 첨가하고 p형의 경우 Te을 첨가한 합금을 10-2∼10-5torr의 진공 또는 아르곤이나 질소 분위기가 유지되는 고주파유도로(15)에서 약 600∼800℃의 온도로 용융하여 이것을 보온로에 붓는다. 이때, 용탕의 자체 교반반응과 안정화를 위해 녹은후 약 30분간 유지한다.n-type composition of Sb 2 Te 3 and Bi 2 Se 3 adding Bi 2 Te 3 based alloys, and the p-type composition of Bi 2 Te 3 is added n-type as the dopant if necessary to take the Sb 2 Te 3 based alloys as the base material In the case of p-type, the alloy to which CdCl 2 and Sbi 2 are added and Te is added is about 600 to 800 ° C. in a vacuum of 10 −2 to 10 −5 torr or a high frequency induction furnace 15 in which an argon or nitrogen atmosphere is maintained. Melt to a temperature of and pour it into the warmer. At this time, the molten metal is maintained for about 30 minutes after melting to stabilize and stabilize the reaction.

보온로에서 합금용탕의 유지가 완료되면, 스토퍼(23)의 작용에 의해 개방된 직경 2∼6mm의 오리피스(21)를 통해 용탕이 챔버(37)방향으로 흐르게 되고 이때 에어노즐(35)로부터 약 1.4MPa의 고압으로 분사되는 고속의 질소가스 또는 공기에 의해 분쇄되고, 오리피스(21)의 직경에 따라 변화되는 용탕줄기가 가스와 충돌하여 미세한 액체분말이 되며, 챔버(37)내를 비행하면서 미세한 분말로 응고하게 된다.When the maintenance of the molten alloy in the heating furnace is completed, the molten metal flows in the direction of the chamber 37 through the orifice 21 having a diameter of 2 to 6 mm opened by the action of the stopper 23, and at this time, the air nozzle 35 It is pulverized by high-speed nitrogen gas or air injected at a high pressure of 1.4 MPa, and the molten stem which changes according to the diameter of the orifice 21 collides with the gas to form a fine liquid powder, and while flying inside the chamber 37, It solidifies into a powder.

응고가 완료된 합금 분말들은 사이클론(47)에서 포집된다. 포집된 합금분말들은 입도별로 구분하기 위해 기계적 분급장치 등을 이용하여 분급하게 된다. 이와같은 방법으로 조직이 미세하고 완전한 고용체인 구형분말이 얻어진다.The solidified alloy powders are collected in the cyclone 47. Collected alloy powders are classified using a mechanical classifier to classify them by particle size. In this way a spherical powder is obtained in which the tissue is fine and a complete solid solution.

도 2는 도 1의 급속응고 가스분무장치에서 제조된 열전반도체 합금분말의 산화막을 제거하기위한 환원장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a view schematically illustrating a configuration of a reducing apparatus for removing an oxide film of a thermoelectric semiconductor alloy powder manufactured in the rapid solidification gas spraying apparatus of FIG. 1.

도 2를 참조하면, 환원장치(60)는 환원가스 공급장치(61)를 구비하며, 내부에 가열 환원이 이루어지는 예열존(62), 균일가열존(63), 후가열존(64) 및 분위기 냉각존(65)이 마련된다. 또한, 온도 및 가스량 조절장치(66)가 설치된 메인 컨트롤러(67)를 구비한다. 안전을 위해 잔류 환원가스는 연소장치(68)에서 완전히 연소되고, 가열부는 상부 개폐기(69)에 의해서 보호 및 보온된다.Referring to FIG. 2, the reducing device 60 includes a reducing gas supply device 61, and includes a preheating zone 62, a uniform heating zone 63, a post-heating zone 64, and an atmosphere cooling in which heat reduction is performed therein. Zone 65 is provided. Moreover, the main controller 67 provided with the temperature and gas amount adjusting device 66 is provided. The residual reducing gas is completely burned in the combustion apparatus 68 for safety, and the heating part is protected and warmed by the upper switch 69.

도 1에 도시된 급속응고 가스분무장치(10)에서 생성물로 얻어진 Bi2Te3계 열전반도체 합금분말의 표면은 산화막으로 둘러쌓여 있는데 이를 제거하지 않고 성형할 경우에는 성형성의 저하에 기인한 열전특성 및 기계적 특성의 저하가 초래된다. 따라서, 도 2에 도시된 환원장치(60)를 이용하여 환원을 실시하도록 한다.The surface of the Bi 2 Te 3 based thermoelectric alloy alloy powder obtained as a product in the rapid solidification gas spraying device 10 shown in FIG. 1 is surrounded by an oxide film. And deterioration of mechanical properties. Therefore, the reduction is performed by using the reduction device 60 shown in FIG.

이를 위해서, 합금분말을 환원장치(60)의 예열존(62)에 장입하여 밀봉한후 진공을 뽑거나 질소 또는 아르곤 가스를 흘려주어 대기분위기를 제거하고, 계속해서 수소 또는 탄소가스를 공급하여 균일가열존(63)과 후가열존(64)을 통과시키면서 약 200~400℃의 온도범위 내에서 환원처리를 실시하고 분위기 냉각존(65)에서 냉각시킨다.To this end, the alloy powder is charged into the preheating zone 62 of the reducing device 60, sealed, and then vacuumed or nitrogen or argon gas is removed to remove the atmosphere, and hydrogen or carbon gas is continuously supplied to provide a uniform cost. While passing through the heat zone 63 and the post-heating zone 64, a reduction treatment is performed within a temperature range of about 200 to 400 ° C. and cooled in the atmosphere cooling zone 65.

도 2에 도시된 환원장치(60)에서 환원처리된 급속응고 n형 및 p형 Bi2Te3계 합금분말은 취급이 용이하도록 공지된 냉간성형프레스(도시되지 않음)를 이용하여 약 100톤의 압력을 가하여 냉간성형체로 만든다.Rapidly solidified n-type and p-type Bi 2 Te 3 -based alloy powders reduced in the reducing apparatus 60 shown in FIG. 2 are about 100 tons using a cold forming press (not shown) known for easy handling. Pressurized to cold forming.

냉간성형장치에서 빌렛으로 성형된 냉간성형체는 열간단조장치(70), 열간압출장치(80) 또는 소결로(90)를 이용하여 소성가공한다.The cold formed body formed into a billet in the cold forming apparatus is plastically processed using the hot forging apparatus 70, the hot extrusion apparatus 80, or the sintering furnace 90.

도 3은 도 2의 환원장치에서 환원처리된 냉간성형체를 소성가공하기 위한 열간단조장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a view schematically illustrating a configuration of a hot forging apparatus for plastic processing a cold formed body reduced in the reducing apparatus of FIG. 2.

도 3을 참조하면, 열간단조장치(70)는 성형다이(71), 다이가열장치(72), 가압장치(73), 주 몸체(74), 상부펀치(75), 지지봉(76), 빌렛 예열장치(77), 컨트롤러(78)를 구비한다.Referring to FIG. 3, the hot forging device 70 includes a molding die 71, a die heating device 72, a pressurizing device 73, a main body 74, an upper punch 75, a support rod 76, and a billet. The preheater 77 and the controller 78 are provided.

냉간성형체는 탈가스 처리후 열간단조장치(70)의 성형다이(71)에 장입된후 성형다이(71)와 함께 약 350∼500℃의 온도범위 내에서 예열된 후 상부펀치(75)를 하강시켜 그 온도범위 내에서 가압성형하여 밀도가 99%이상인 고강도 성형체를 제조한다. 이렇게 얻어진 성형체의 굽힘강도는 50~80MPa을 나타내며, 열전성능 Z = 2.7∼3.0 ×10-3/K로서 비교적 우수하다.The cold formed body is charged into the forming die 71 of the hot forging device 70 after degassing, and then preheated together with the forming die 71 within a temperature range of about 350 to 500 ° C., and then the upper punch 75 is lowered. Press molding within the temperature range to produce a high-strength molded body having a density of 99% or more. The bending strength of the molded article thus obtained is 50 to 80 MPa, and is relatively excellent as thermoelectric performance Z = 2.7 to 3.0 x 10 -3 / K.

도 4는 도 2의 환원장치에서 환원처리된 냉간성형체를 소성가공하기 위한 열간압출장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a view schematically illustrating a configuration of a hot extrusion apparatus for plastic processing cold-formed bodies that have been reduced in the reducing apparatus of FIG. 2.

도 4에 도시된 바와 같이, 열간압출장치(80)는 가압장치(81), 컨테이너(82) 및 컨테이너 가열장치(83), 다이(84), 램(85), 실린더(86), 주 지지대(87) 및 빌렛예열로(88) 등을 구비한다.As shown in FIG. 4, the hot extrusion device 80 includes a pressurization device 81, a container 82, and a container heating device 83, a die 84, a ram 85, a cylinder 86, and a main support. 87, billet preheating furnace 88, and the like.

탈가스 처리된 냉간성형체는 열간압출장치(80)를 이용하여 약 350∼500℃의 온도범위 내에서 동일 온도로 예열된 다이(84)와 컨테이너(82)에서 이론밀도 99%이상으로 성형된다. 이렇게 얻어진 성형체는 주사전자현미경으로 관찰한 미세조직과 X선 분석을 검토하여 볼 때, 조직이 균일하고 미세한 단일 고용체를 형성한다. 성형체의 굽힘강도는 60~90MPa를 나타내며, 열전성능 Z = 2.7∼3.0 ×10-3/K로서 비교적 우수하다.The degassed cold formed body is molded to a theoretical density of 99% or more in the die 84 and the container 82 preheated to the same temperature within a temperature range of about 350 to 500 ° C. using the hot extrusion device 80. The molded article thus obtained forms a uniform and fine single solid solution when the microstructure observed by the scanning electron microscope and the X-ray analysis are examined. The bending strength of the molded body is 60 to 90 MPa, and is relatively excellent as the thermoelectric performance Z = 2.7 to 3.0 x 10 -3 / K.

도 5는 도 2의 환원장치에서 환원처리된 냉간성형체를 소성가공하기 위한 소결로의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a view schematically illustrating a configuration of a sintering furnace for plastic processing cold-formed bodies that have been reduced in the reducing apparatus of FIG. 2.

도 5에 도시된 바와 같이, 소결로(90)는 온도와 분위기를 일정하게 유지할 수 있는 컨트롤러(91), 진공펌프(92), 분위기 가스공급장치(92), 금형(93), 라이너(94), 상부 및 하부램으로 구성된 가압장치(95), 가열장치(96) 및 절연부(97)를 구비한다.As shown in FIG. 5, the sintering furnace 90 includes a controller 91, a vacuum pump 92, an atmosphere gas supply device 92, a mold 93, and a liner 94 capable of maintaining a constant temperature and atmosphere. ), A pressurizing device (95) consisting of an upper and a lower ram, a heating device (96), and an insulating portion (97).

탈가스 처리된 냉간성형체는 소결로(90)에서 진공 혹은 질소가스 분위기에서 약 400∼550℃의 온도로 열간소결된다. 이렇게 얻어진 소결체의 굽힘강도는 30∼35MPa를 나타내며 열전성능 Z = 2.5∼3.5 ×10-3/K로서 비교적 우수하다.The degassed cold formed body is hot sintered in a sintering furnace 90 at a temperature of about 400 to 550 ° C. in a vacuum or nitrogen gas atmosphere. The bending strength of the thus obtained sintered compact exhibits 30 to 35 MPa and is relatively excellent in thermoelectric performance Z = 2.5 to 3.5 × 10 −3 / K.

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따르면, Bi2Te3계 열전반도체합금을 제조하는데 있어 급속응고법의 일환인 가스분무법(gas atomization)을 이용하여 조직이 미세하고 화학적으로 균질한 급속응고 n형 및 p형 Bi2Te3계 합금분말을 제조함으로써, 조성이 균일하고 편석이 거의 없는 균질한 단일 고용체의 미세조직을 확보할 수 있었다.As mentioned above, according to the present invention, in the preparation of the Bi 2 Te 3 based thermoconductor alloy, the rapid solidification n-type of the microstructure and chemically homogeneous structure by using gas atomization as part of the rapid solidification method And by producing a p-type Bi 2 Te 3 alloy powder, it was possible to secure a microstructure of a homogeneous single solid solution having a uniform composition and little segregation.

또한, 이렇게 얻어진 합금분말을 환원 및 탈가스 처리한 후, 열간단조, 열간압출 및 열간소결공정 등의 열간성형법을 이용하여 굽힘강도가 높고 열전성능도 비교적 우수한 n형 및 p형 Bi2Te3계 합금 성형체를 제조할 수 있었다, 게다가, 생산성도 기존의 방법에 비해 약 2배이상 향상되는 결과를 얻었다.After the alloy powder thus obtained is reduced and degassed, the n-type and p-type Bi 2 Te 3 system having high bending strength and comparatively excellent thermoelectric performance by using hot forming methods such as hot forging, hot extrusion and hot sintering processes. An alloy molded body could be produced, and in addition, the productivity was improved by about 2 times or more compared with the existing method.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. It will be appreciated.

Claims (5)

n형 조성인 Sb2Te3와 Bi2Se3첨가 Bi2Te3계 합금, 그리고 p형 조성인 Bi2Te3첨가 Sb2Te3계 합금을 기본 재료로서 일정압력의 진공 또는 아르곤이나 질소 분위기가 유지되는 로내에서 용융하고 용융된 합금을 가스분무법을 이용하여 조직이 균일하고 미세한 구형의 열전반도체 분말을 제조하는 단계(S1);n-type composition of Sb 2 Te 3 and Bi 2 Se 3 adding Bi 2 Te 3 based alloys, and the p-type composition of Bi 2 Te 3 is added Sb 2 Te 3 based alloys a vacuum or an argon or a nitrogen atmosphere at a predetermined pressure as the base material Manufacturing a molten and molten alloy in a furnace where gas is maintained by using a gas spraying method to produce a uniform and fine spherical thermoelectric powder (S1); 제조된 열전반도체 분말을 환원시키는 단계(S2);Reducing the prepared thermoconductor powder (S2); 환원 분말을 냉간성형하고 탈가스시키는 단계(S3); 그리고Cold forming and degassing the reducing powder (S3); And 상기 단계(S3)로부터 얻어진 냉간성형체를 열간성형하는 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 Bi2Te3계 열전변환재료의 제조방법.A method of manufacturing a Bi 2 Te 3 -based thermoelectric conversion material comprising the step (S4) of hot forming the cold formed product obtained in the step (S3). 제 1 항에 있어서, 상기 단계(S1)에서는, 상기 기본 재료에 도판트로서 n형의 경우 CdCl2및 Sbi2를 첨가하고 p형의 경우 Te을 첨가하는 것을 특징으로 하는 Bi2Te3계 열전변환재료의 제조방법.The method of claim 1, wherein said step (S1) in the base case of the n-type as a dopant to the material CdCl 2 and Sbi 2 was added and Bi 2 Te 3 based thermoelectric further comprising a step of adding the case of a p-type Te a Method of manufacturing the conversion material. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(S4)에서는, 상기 냉간성형체를 열간단조장치의 성형다이에 장입한후 예열하고 가압성형하여 99%이상의 밀도와 50~80MPa의 굽힘강도 그리고 Z = 2.7∼3.0 ×10-3/K의 열전성능을 나타내는 고강도 성형체를 제조하는것을 특징으로 하는 Bi2Te3계 열전변환재료의 제조방법.The method of claim 1, wherein in the step (S4), the cold molded body is charged into a molding die of a hot forging apparatus, and then preheated and pressed to form a density of 99% or more, a bending strength of 50 to 80 MPa, and Z = 2.7 to 3.0 × A method for producing a Bi 2 Te 3 based thermoelectric conversion material, characterized in that a high strength molded body having a thermoelectric performance of 10 −3 / K is produced. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(S4)에서는, 상기 냉간성형체를 열간압출장치에 장입한후 예열하고 압출성형하여 99%이상의 밀도와 60~90MPa의 굽힘강도 그리고 Z = 2.7∼3.0 ×10-3/K의 열전성능을 나타내는 단일 고용체를 제조하는 것을 특징으로 하는 Bi2Te3계 열전변환재료의 제조방법.The method of claim 1, wherein in the step (S4), the cold molded product is charged into a hot extrusion apparatus, preheated and extruded to obtain a density of 99% or more, a bending strength of 60 to 90 MPa, and Z = 2.7 to 3.0 × 10 -3. A method for producing a Bi 2 Te 3 -based thermoelectric material, comprising producing a single solid solution having a thermoelectric performance of / K. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(S4)에서는, 상기 냉간성형체를 소결로 내에 장입한후 열간소결하여 30~35MPa의 굽힘강도와 Z = 2.5∼3.5 ×10-3/K의 열전성능을 나타내는 소결체를 제조하는 것을 특징으로 하는 Bi2Te3계 열전변환재료의 제조방법.The sintered compact according to claim 1, wherein in the step S4, the cold molded body is charged into a sintering furnace and hot-sintered to exhibit a bending strength of 30 to 35 MPa and a thermoelectric performance of Z = 2.5 to 3.5 x 10 -3 / K. Method for producing a Bi 2 Te 3 system thermoelectric conversion material, characterized in that for producing.
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