JP2016166378A - 表面処理装置および表面処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】1つのラインで複数の表面処理が可能な上、ラインの小型化を図り得る表面処理装置および表面処理方法を提供する。
【解決手段】表面処理装置10は、長手方向に沿う一の搬送方向または一の搬送方向と逆方向に搬送されるシート状の長尺な基材100と、搬送される基材に対し複数の表面処理を行う表面処理部120と、を有する。表面処理部は、一の搬送方向とこれと逆の搬送方向とで基材に対し異なる表面処理を行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、表面処理装置および表面処理方法に関する。
固体高分子形燃料電池の主要部品である膜電極接合体について、量産に適した生産方法の検討がなされている。膜電極接合体は、高分子電解質膜およびこの両面に形成された触媒層、ならびにこれらを厚み方向から挟むガス拡散層を有する。
ガス拡散層は、概して、薄板形状を有する基材に対し成膜等の複数の表面処理を行うことによって作製される。例えば特許文献1に開示されているように、薄板形状を有する長尺な基材をロールトゥロール方式で搬送しつつ連続的に表面処理することによって、ガス拡散層の効率的な作製が期待できる。
特開2004−27272号公報
しかしながら、上で挙げた従来技術では基材が搬送される1つのラインで1つの表面処理だけしか行われず、ガス拡散層を作製する場合のように基材に対し複数の表面処理が行われない。
また、1つのラインで一方向だけに基材を一定速度で移動させ、その間に複数の表面処理を全て行おうとすると、複数の表面処理で共通して基材の搬送速度が一定となるため、それぞれ所望の表面処理を行うためにはその搬送速度に合わせた装置構成が必要になる。例えば一定速度で搬送される基材に対しスパッタリングによって成膜する場合、膜厚を厚くするためには基材の搬送方向に沿って長いターゲットを設けなければならない。
また、同時に行われる一の表面処理と他の表面処理とが互いに影響を及ぼし合わないようにするために、それぞれの表面処理を基材の搬送方向に離れた位置で行う必要があり、そのため基材の搬送距離が伸びる。
これらのことからラインが大型化し、その結果、設備投資やメンテナンス性悪化によってコストが増加する虞がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、1つのラインで複数の表面処理が可能な上、ラインの小型化を図り得る表面処理装置および表面処理方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明の表面処理装置は、長手方向に沿う一の搬送方向またはこれと逆方向に搬送されるシート状の長尺な基材と、搬送される基材に対し複数の表面処理を行う表面処理部と、を有する。表面処理部は、一の搬送方向とこれと逆の搬送方向とで基材に対し異なる表面処理を行う。
上記目的を達成するための本発明の表面処理装置は、シート状の長尺な基材が巻回されて形成される、正逆両方向に回転可能な一のロールと、一のロールから引き出された基材が巻回されて形成される、正逆両方向に回転可能な他のロールと、を有する。表面処理装置は、これらのロール間で搬送される基材に対し複数の表面処理を行う表面処理部と、ロールの回転を制御する制御部と、を有する。制御部は、それらのロールの回転方向を切り替えることによって、基材の搬送方向を逆方向に切り替え、表面処理部は、搬送方向の切り替えの前後で基材に対し異なる表面処理を行う。
上記目的を達成するための本発明の表面処理方法は、シート状の長尺な基材を長手方向に搬送しつつ表面処理する表面処理工程を複数有する。一の表面処理工程の後、他の表面処理工程では、一の表面処理工程と逆方向に基材が搬送されつつ、基材に対し前記一の表面処理工程とは異なる表面処理が行われる。
本発明は、基材が搬送される1つのラインにおいて一の搬送方向に基材が搬送されるときとこれと逆方向に基材が搬送されるときとで異なる表面処理を別々に行う。このため、これら別々に行われる表面処理のそれぞれで所望の速度で基材を搬送でき、基材が一定速度で搬送されつつ全ての表面処理が同時に行われる場合のような搬送速度に合わせた装置構成が不要になる。また、別々に行われる表面処理について、それらの互いの影響を考慮して基材の搬送距離を長くしなくてもよい。
従って、本発明によれば、1つのラインで複数の表面処理が可能な上、ラインの小型化を図り得る。
第1実施形態の表面処理装置の概略構成を示す図である。 基材としての金網、ならびにその表面に形成される中間層および被覆層を模式的に示す断面図である。 第1実施形態の表面処理方法の概要を示すフローチャートである。 酸化膜を除去するとともに中間層を形成するときの第1実施形態の表面処理装置の動作を示す図である。 被覆層を形成するときの第1実施形態の表面処理装置の動作を示す図である。 第2実施形態の表面処理装置の概略構成を示す図である。 第2実施形態の表面処理方法の概要を示すフローチャートである。 酸化膜を除去するときの第2実施形態の表面処理装置の動作を示す図である。 中間層を形成するときの第2実施形態の表面処理装置の動作を示す図である。 被覆層を形成するときの第2実施形態の表面処理装置の動作を示す図である。
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる。
<第1実施形態>
図1に示すように、第1実施形態の表面処理装置10は、シート状の長尺な金網100(基材)が巻回されて形成されるロール101(一のロール)と、ロール101から引き出された金網100が巻回されて形成されるロール102(他のロール)と、を有する。金網100は、例えば、ステンレス、アルミニウム、またはアルミニウム合金によって形成される。表面処理装置10は、ロール101、ロール102、および金網100が収容される真空炉103を有する。
表面処理装置10は、ロール101、102に回転動力を与える駆動部104、105を有する。表面処理装置10は、ロール101、102の間で搬送される金網100を支持するサポートロール106を有する。表面処理装置10は、金網100を表面処理する表面処理部120を有する。表面処理装置10は、金網100を加熱するとともにバイアス電圧を印加するメインロール107(加熱部、電圧印加部)を有する。表面処理装置10は、構成要素の動作を制御するコントローラ108(制御部)を有する。
真空炉103は、内部を排気する真空ポンプに接続している。アルゴン(Ar)ガス等の不活性ガスが真空炉103内に導入される。
コントローラ108は、ロール101、102の回転を制御する。コントローラ108は、表面処理部120による金網100の表面処理を制御する。コントローラ108は、メインロール107から金網100に印加されるバイアス電圧、およびメインロール107によって加熱される金網100の温度を制御する。
コントローラ108は、CPU(Central Processing Unit)およびメモリを主たる構成として含む。コントローラ108は、例えば、パーソナルコンピュータ、エンジニアリングワークステーション等である。
駆動部104、105は、モータである。駆動部104、105は、コントローラ108と電気的に接続している。コトローラ108は、駆動部104、105を制御することによって、ロール101、102の回転を制御する。ロール101、102はそれぞれ正逆両方向に回転可能である。金網100は、ロール101、102が回転することよって、ロール101からロール102へ、またはその逆方向に搬送される。
サポートロール106およびメインロール107は、金網100の搬送に従って回転する。サポートロール106およびメインロール107は、正逆両方向に回転可能である。金網100はメインロール107に押し付けられるように接しつつ搬送される。
メインロール107は、電熱線を有するヒータを内部に有する。コントローラ108は、メインロール107の内部に備えられるヒータに電力を供給する電源109と電気的に接続する。コントローラ108は、電源109の出力を制御し、メインロール107に内蔵されるヒータの発熱量を制御する。これによって、メインロール107、ひいてはこれに接する金網100の温度が調整される。金網100の温度を測定する温度センサ(不図示)が、例えばメインロール107の近傍に設けられ、測定された温度に基づき金網100の温度が調整されてもよい。
メインロール107は、バイアス電圧を生成する電源110に電気的に接続したブラシ111と摺接する。メインロール107の表面は導電性を有し、メインロール107とブラシ111とは電気的に接続する。金網100がメインロール107と接することによって、バイアス電圧がメインロール107から金網100に印加される。金網100が搬送されメインロール107から離れると、金網100へのバイアス電圧の印加が停止する。コントローラ108は電源110に電気的に接続している。コントローラ108は、電源110の出力を調整することによって、メインロール107から金網100に印加されるバイアス電圧を調整する。
表面処理部120は、金網100の表面の酸化膜を除去する酸化膜除去部121、ならびに金網100に被膜を形成する成膜部124および成膜部127を含む。
酸化膜除去部121は、ボンバード処理によって金網100の表面の酸化膜を除去する。酸化膜除去部121は、金網100に向かってイオンビームを照射するイオンガン122と、イオンガン122と電気的に接続した電源123と、を有する。コントローラ108は電源123と電気的に接続している。コントローラ108は、イオンガン122から照射されるイオンの加速電圧を制御する。
酸化膜除去部121は、イオンガン122に代えて金網100に対向する電極を備えてもよい。この場合、酸化膜除去部121は、電極と金網100との間で高周波プラズマによって不活性ガスをイオン化し、それを金網100の表面に当てることによって酸化膜を除去する。
成膜部124および成膜部127は、スパッタリング法によって金網100に成膜する。
成膜部124は、金網100に対向するターゲット125と、ターゲット125に電気的に接続した電源126と、を有する。ターゲット125は、クロム(Cr)によって形成される。コントローラ108は電源126と電気的に接続している。コントローラ108は、電源126からターゲット125に印加される電圧を制御する。
成膜部127は、金網100に対向するターゲット128と、ターゲット128に電気的に接続した電源129と、を有する。ターゲット128は、炭素(C)によって形成される。コントローラ108は電源129と電気的に接続している。コントローラ108は、電源129からターゲット128に印加される電圧を制御する。
実施形態の表面処理方法を述べる。
図2に示すように、実施形態の表面処理によれば、金網100の表面に中間層130が形成され、その上に被覆層131が形成される。中間層130はクロムからなる。被覆層131はダイヤモンドライクカーボン(以下、単にDLCと称す)からなる。金網100の表面の酸化膜は除去されている。金網100は、中間層130および被覆層131が形成されて固体高分子形燃料電池のガス拡散層として用いられる。
図3に示すように、実施形態の表面処理方法は、金網100の表面の酸化膜を除去するとともに中間層130を形成する第1の表面処理工程S10と、その後、中間層130の上に被覆層131を形成する第2の表面処理工程S11と、を有する。
図4に示すように、第1の表面処理工程S10では、金網100がロール101からロール102に搬送されつつ、酸化膜除去部121が金網100の表面の酸化膜を連続的に除去する。また、第1の表面処理工程S10では、成膜部124が、中間層130を金網100に連続的に形成する。第1の表面処理工程S10において、コントローラ108は成膜部127の動作を停止させている。
図5に示すように、第2の表面処理工程S11では、金網100の搬送方向が逆方向に切り替えられる。コントローラ108は、駆動部104、105を制御しロール101、102を逆回転させることによって、金網100の搬送方向を逆方向に切り替える。
第2の表面処理工程S11では、金網100がロール102からロール101に搬送されつつ、成膜部127が被覆層131を連続的に形成する。このとき、コントローラ108が電源109、110の出力を制御することによって、メインロール107から金網100に印加されるバイアス電圧および金網100の温度が調整される。第2の表面処理工程S11において、コントローラ108は、酸化膜除去部121および成膜部124の動作を停止させている。
第2の表面処理工程S11における金網100の搬送速度は、第1の表面処理工程S10における搬送速度よりも大きい。コントローラ108がロール101、102の回転速度を上げることによって、金網100の搬送速度が増加する。
金網100の一方の面に中間層130および被覆層131が形成された後、作業者は、成膜されていない他方の面が表面処理部120と対向するようにロール101、102をセットし直す。成膜されていない他方の面に対し一方の面と同様の表面処理が行われることによって、金網100の両面に中間層130および被覆層131が形成される。
本実施形態の作用効果を述べる。
本実施形態の比較例として、本実施形態と異なり第1の表面処理工程S10および第2の表面処理工程S11が同時に行われるとすると、全ての表面処理において金網100が一定速度で搬送され、表面処理のそれぞれに適した速度で金網100が搬送されない。その結果、例えば所望の膜厚を有する中間層130および被覆層131を形成するために金網100の搬送方向に沿ってターゲット125、128の長さを長く設定する等、金網100の搬送速度に合わせた装置構成が必要になる。また、本実施形態と異なり成膜部124による中間層130の形成および成膜部127による被覆層131の形成が同時に行われると、これらが互いに影響を及ぼし合わないようにするために、成膜部124、127を離隔させ、離れた位置で表面処理が行われるようにしなければならない。このため金網100の搬送距離が伸びる。これらのことからラインが大型化し、その結果、設備投資やメンテナンス性悪化によってコストが増加する虞がある。
一方、本実施形態では、金網100が一の搬送方向に搬送されるときとこれと逆方向に搬送されるときとで、第1の表面処理工程S10と第2の表面処理工程S11とが別々に行われる。このため、第1の表面処理工程S10と第2の表面処理工程S11とで、それぞれに適した速度で金網100を搬送でき、金網100が一定速度で搬送されつつ全ての表面処理が同時に行われる場合のような搬送速度に合わせた装置構成が不要になる。また、第1の表面処理工程S10で行われる表面処理および第2の表面処理工程S11で行われる表面処理について、それらの互いの影響を考慮して金網100の搬送距離を長くしなくてもよい。従って、本実施形態によれば1つのラインで複数の表面処理が可能な上、ラインの小型化を図り得る。
本実施形態では表面処理が真空炉103内で行われ、真空引きに時間を要するが、ラインの小型化によって真空炉103の容積が抑えられる。その結果、真空引きの時間が短縮されるため、作業効率が向上する。
中間層130の上に被覆層131が形成されるため、金網100と被覆層131との密着性が良好で、被覆層131が剥がれ難い。また、被覆層131が形成されるため、接触抵抗が低減する。
金網100の表面の酸化膜が除去されるため、接触抵抗が低減する。
メインロール107から金網100に印加されるバイアス電圧が調整されるため、所望の特性を有する被覆層131を形成するのに好適なバイアス電圧を印加できる。本実施形態では被覆層131がDLCからなり、バイアス電圧が調整されることによってD/G比の高いDLCが形成される。高いD/G比を有するDLCは導電性に優れる。D/G比とは、炭素材料をラマン分光法によって分析したとき1350cm-1付近で観察されるピーク(Dバンド)の強度と1584cm-1付近で観察されるピーク(Gバンド)の強度との比である。被覆層131を形成するDLCのD/G比は、例えば1.3以上である。
メインロール107によって金網100の温度が調整されるため、所望の特性を有する被覆層131を形成するのに適した温度で成膜できる。本実施形態では被覆層131がDLCからなり、このため、成膜の際に金網100の温度が調整されることによって、D/G比が高く良好な導電性を有するDLCが形成される。
中間層130がクロムによって形成されるため、SUSによって形成される金網100とDLCによって形成される被覆層131との密着性が良好で、DLCからなる被覆層131が剥がれ難い。
被覆層131がDLCによって形成されるため、例えば被覆層131が金または白金等によって形成される場合に比べ、低コストで導電性および耐食性を確保できる。
基材として金網100が用いられるため、固体高分子形燃料電池のガス拡散層に必要な導電性および多孔質性を確保できる。
<第2実施形態>
図6において概説すると、第2実施形態の表面処理装置20は、第1実施形態において同時に行っていた酸化膜除去部121による酸化膜の除去および成膜部124による中間層130の形成を別々に行う点で、第1実施形態と異なる。
第2実施形態では第1実施形態に比べ酸化膜除去部121が成膜部124、127の近くに配置される。酸化膜除去部121自体の構成は第1実施形態と同様である。第2実施形態では第1実施形態に比べロール101とメインロール107との間の金網100の搬送距離が短い。第2実施形態の真空炉203は第1実施形態に比べ小さい容積を有する。他の構成については、第2実施形態は、第1実施形態と略同様である。第1実施形態と同一の機能を有する構成要素に図中で同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図7に示すように、第2実施形態の表面処理方法は、金網100の表面の酸化膜を除去する第1の表面処理工程S20と、その後、中間層130を形成する第2の表面処理工程S21と、その後、被覆層131を形成する第3の表面処理工程S22と、を有する。
図8に示すように、第1の表面処理工程S20では、金網100がロール101からロール102に搬送されつつ、酸化膜除去部121が金網100の表面の酸化膜を連続的に除去する。このとき、コントローラ108は、成膜部124、127の動作を停止させている。
図9に示すように、第2の表面処理工程S21では、金網100の搬送方向が第1の表面処理工程S20と逆方向に切り替えられる。第2の表面処理工程S21における金網100の搬送速度は、第1の表面処理工程S20よりも小さい。コントローラ108がロール101、102の回転速度を下げることによって、金網100の搬送速度が低下する。
第2の表面処理工程S21では、金網100がロール102からロール101に搬送されつつ、成膜部124が中間層130を金網100に連続的に形成する。第2の表面処理工程S21において、コントローラ108は、酸化膜除去部121および成膜部127の動作を停止させている。
図10に示すように、第3の表面処理工程S22では、金網100の搬送方向が第2の表面処理工程S21と逆方向に切り替えられる。第3の表面処理工程S22における金網100の搬送速度は、第2の表面処理工程S21よりも大きい。
第3の表面処理工程S22では、金網100がロール101からロール102に搬送されつつ、成膜部127が被覆層131を金網100に連続的に形成する。このとき、コントローラ108が電源109、110の出力を制御することによってメインロール107から金網100に印加されるバイアス電圧および金網100の温度が調整される。第3の表面処理工程S22において、コントローラ108は、酸化膜除去部121および成膜部124の動作を停止させている。
本実施形態では、第1実施形態と異なり、金網100の酸化膜除去と中間層130の形成とが、金網100が互いに逆の搬送方向に搬送されて別々に行われる。このため、それぞれの表面処理に好適な速度で金網100を搬送でき、例えばターゲット125の長さを長く設定する等、搬送速度に合わせた装置構成が不要である。また、表面処理同士が互いに影響を及ぼし合わないので、酸化膜除去部121および成膜部124、127が近くに配置され、金網100の搬送距離が短縮される。従って、本実施形態は、第1実施形態の効果に加え、ラインをより小型化できるという効果を奏する。
またラインの小型化によって真空炉203の容積がさらに抑えられるため、真空引きの時間が短縮されて作業効率が向上する。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。
例えば、被覆層131を形成する材料は、ダイヤモンドライクカーボンに限定されず、例えば、Au、Ag、Pt、Ti、Al、Sn、In、Nb等であってもよい。また、中間層130を形成する材料は、Crに限定されず、例えばTi、またはこれらの炭化物もしくは窒化物であってもよい。
被覆層131および中間層130の形成方法は、スパッタリング法に限定されず、イオンプレーティング法等の他のPVD法(Physical Vapor Deposition;物理気相成長法または物理的蒸着法)であってもよい。
基材は、金網100に限定されず、例えば、パンチングメタル、エッチングメタル、およびエキスパンドメタル等であってもよい。
上記実施形態では、被覆層131が形成される際に金網100に印加されるバイアス電圧および金網100の温度の両方が調整されたが、本発明は、これに限定されず、これらのうちの一方だけが調整される形態を含む。
10、20 表面処理装置、
100 金網(基材)、
101 ロール(一のロール)、
102 ロール(他のロール)、
103、203 真空炉、
104、105 駆動部、
106 サポートロール、
107 メインロール(電圧印加部、加熱部)、
108 コントローラ(制御部)、
109 電源、
110 電源、
111 ブラシ、
120 表面処理部、
121 酸化膜除去部、
122 イオンガン、
123 電源、
124 成膜部、
125 ターゲット、
126 電源、
127 成膜部、
128 ターゲット、
129 電源、
130 中間層、
131 被覆層。

Claims (13)

  1. 長手方向に沿う一の搬送方向または当該一の搬送方向と逆方向に搬送されるシート状の長尺な基材と、
    搬送される前記基材に対し複数の表面処理を行う表面処理部と、を有し、
    当該表面処理部は、前記一の搬送方向と前記逆方向とで前記基材に対し異なる表面処理を行う、表面処理装置。
  2. シート状の長尺な基材が巻回されて形成される、正逆両方向に回転可能な一のロールと、
    前記一のロールから引き出された前記基材が巻回されて形成される、正逆両方向に回転可能な他のロールと、
    前記一のロールおよび前記他のロールの間で搬送される前記基材に対し複数の表面処理を行う表面処理部と、
    前記一のロールおよび前記他のロールの回転を制御する制御部と、を有し、
    当該制御部は、前記一のロールおよび前記他のロールの回転方向を切り替えることによって、前記基材の搬送方向を逆方向に切り替え、
    前記表面処理部は、当該切り替えの前後で前記基材に対し異なる表面処理を行う、表面処理装置。
  3. 前記表面処理部は、一の前記搬送方向に搬送される前記基材の表面に中間層を形成し、その後、前記一の搬送方向と逆方向に搬送される前記基材に対し、前記中間層の上に被覆層を形成する、請求項1または請求項2に記載の表面処理装置。
  4. 前記表面処理部は、前記中間層を形成する前、前記一の搬送方向と逆方向に搬送される前記基材の表面の酸化膜を除去する、請求項3に記載の表面処理装置。
  5. 前記基材にバイアス電圧を印加する電圧印加部、および前記基材を加熱する加熱部のうちの少なくとも一方を有し、
    前記電圧印加部および前記加熱部のうちの少なくとも一方からの出力が制御されることによって、前記基材に印加される前記バイアス電圧および前記基材の温度のうちの少なくとも一方が調整される、請求項3または請求項4に記載の表面処理装置。
  6. 前記加熱部を有し、前記基材の温度が調整される、請求項5に記載の表面処理装置。
  7. 前記中間層はクロムからなる、請求項3〜請求項6のうちのいずれか1つに記載の表面処理装置。
  8. 前記被覆層はダイヤモンドライクカーボンからなる、請求項3〜請求項7のうちのいずれか1つに記載の表面処理装置。
  9. 前記基材は金網からなる、請求項1〜請求項8のうちのいずれか1つに記載の表面処理装置。
  10. シート状の長尺な基材を長手方向に搬送しつつ表面処理する表面処理工程を複数有し、
    一の前記表面処理工程の後、他の前記表面処理工程において、前記一の表面処理工程と逆方向に前記基材を搬送しつつ、前記基材に対し前記一の表面処理工程と異なる表面処理を行う、表面処理方法。
  11. 一の前記表面処理工程において前記基材の表面に中間層を形成し、その後、他の前記表面処理工程において前記中間層の上に被覆層を形成する、請求項10に記載の表面処理方法。
  12. 前記中間層を形成する前記表面処理工程の前、当該表面処理工程と逆方向に前記基材を搬送しつつ前記基材の表面の酸化膜を除去する表面処理工程を有する、請求項11に記載の表面処理方法。
  13. 前記表面処理工程において、前記基材に印加されるバイアス電圧および前記基材の温度のうちの少なくとも一方を調整する、請求項11または請求項12に記載の表面処理方法。
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