JP7160053B2 - Carbon film and its deposition method - Google Patents

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Description

本発明は、炭素膜等に関する。 The present invention relates to carbon films and the like.

炭素材料は、炭素(C)の結合状態と配列構造により、様々な形態をとり、各形態に応じた特有の物性(特性)を発現する。適切な形態の炭素材料を用いれば、部材に所望の特性や機能等を付与できる。特に、部材の特性等は表面性状に依るところが大きいため、部材表面に所定の炭素膜が形成されることが多い。 Carbon materials take various forms depending on the bonding state and arrangement structure of carbon (C), and exhibit unique physical properties (characteristics) according to each form. By using a carbon material in an appropriate form, desired properties, functions, and the like can be imparted to the member. In particular, since the properties of a member largely depend on the surface properties, a predetermined carbon film is often formed on the surface of the member.

その一例として、燃料電池用のメタルセパレータの電極側表面に、導電性および耐食性に優れた炭素膜が形成される。これに関連する記載が特許文献1にある。 As an example, a carbon film having excellent conductivity and corrosion resistance is formed on the electrode-side surface of a metal separator for fuel cells. There is a description related to this in Patent Document 1.

特許第5217243号公報Japanese Patent No. 5217243 特許第3962420号公報Japanese Patent No. 3962420 特開2005-97113号公報JP-A-2005-97113

L.G. Cancado, K. Takai, T. Enoki, M. Endo, Y. A. Kim, H. Mizusaki, A. Jorio, L. N. Coelho, R. Magalhaes-Paniago and M. A. Pimenta, Applied Physics Letters, 88, 163106 (2006).Cancado, K. Takai, T. Enoki, M. Endo, Y. A. Kim, H. Mizusaki, A. Jorio, L. N. Coelho, R. Magalhaes-Paniago and M. A. Pimenta, Applied Physics Letters, 88, 163106 (2006).

特許文献1は、導電性を有する非晶質炭素膜(単に「DLC(Diamond-like Carbon)膜」ともいう。)を提案している。DLC膜は、一般的に、sp混成軌道の炭素(Csp)がσ結合してなり、ダイヤモンドに近くて硬質であるが、電気伝導率が低い。このため特許文献1のDLC膜では、sp混成軌道の炭素(Csp)によるπ結合を増加させて、導電性を確保している。但し、特許文献1は、DLC膜の具体的な形態やナノサイズレベルの構造等に関して言及していない。なお、特許文献1のDLC膜は、高真空下におけるプラズマCVD法により成膜されている。 Patent Document 1 proposes a conductive amorphous carbon film (also referred to simply as "DLC (Diamond-like Carbon) film"). A DLC film is generally formed by σ-bonding carbon (Csp 3 ) in sp 3 hybrid orbitals, and is close to diamond and hard, but has low electrical conductivity. Therefore, in the DLC film of Patent Document 1, conductivity is ensured by increasing the π-bonds due to carbon (Csp 2 ) in sp 2 hybrid orbitals. However, Patent Document 1 does not refer to the specific form of the DLC film, the nano-size level structure, and the like. The DLC film of Patent Document 1 is formed by a plasma CVD method under high vacuum.

特許文献2、3には、用途が明確ではないが、カーボンナノウォールに関する記載がある。カーボンナノウォールは、基材の表面からほぼ垂直に立ち上がった二次元的な広がりをもつ壁状のカーボンナノ構造体である(特許文献2の[0006]、特許文献3の[0006]等)。 Patent Literatures 2 and 3 describe carbon nanowalls, although their uses are not clear. A carbon nanowall is a wall-like carbon nanostructure that rises almost vertically from the surface of a substrate and has a two-dimensional spread ([0006] of Patent Document 2, [0006] of Patent Document 3, etc.).

特許文献2、3のカーボンナノウォールは、金属触媒を介さず、基材表面に直接的に立設されている点に特徴がある。このようなカーボンナノウォールを図示すると、図6に示すようになる。 The carbon nanowalls of Patent Literatures 2 and 3 are characterized in that they stand directly on the substrate surface without intervening a metal catalyst. A diagram of such carbon nanowalls is shown in FIG.

しかし、基材表面に直接的に立設しているカーボンナノウォールでは、腐食性液が隣接する壁間(隙間)を通じて基材側へ浸入し、基材表面を腐食させ得る。このため、そのようなカーボンナノウォールからなる炭素膜は、少なくとも、腐食環境で使用される燃料電池用セパレータの電極側表面を被覆する導電性炭素膜として適切ではない。 However, in carbon nanowalls standing directly on the base material surface, the corrosive liquid may enter the base material side through the adjacent walls (gap) and corrode the base material surface. For this reason, a carbon film composed of such carbon nanowalls is not suitable as a conductive carbon film covering at least the electrode-side surface of a fuel cell separator used in a corrosive environment.

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは構造が異なる新たな炭素膜等を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a new carbon film or the like having a structure different from that of the conventional ones.

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、領域(層)毎に含まれるグラフェンの形態が異なる新たな構造の炭素膜を得ることに成功した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。 As a result of intensive research to solve this problem, the inventors of the present invention succeeded in obtaining a carbon film with a new structure in which the forms of graphene contained in each region (layer) are different. Developing this result led to the completion of the present invention described below.

《炭素膜》
本発明は、平状のグラフェンを含む第1層と、該第1層上に形成され、弧状のグラフェンを含む第2層と、を有する炭素膜である。
《Carbon film》
The present invention is a carbon film having a first layer containing flat graphene and a second layer formed on the first layer and containing arc-shaped graphene.

本発明の炭素膜は、Cspが結合されてなるグラフェンを含み、それ自体が耐食性や導電性に優れる。また、本発明の炭素膜は、成膜された基材の耐食性や導電性等も向上させ得る。これは次のような理由に依ると考えられる。 The carbon film of the present invention contains graphene in which Csp2 is bound, and itself is excellent in corrosion resistance and conductivity. In addition, the carbon film of the present invention can also improve the corrosion resistance, electrical conductivity, etc. of the substrate on which it is formed. This is considered to be due to the following reasons.

下層側(基材側)にある第1層は、平状なグラフェンにより、基材表面に沿って形成される。このため第1層は、基材表面と腐食物質の接触を阻害するバリア層となり、基材の腐食や酸化(不動態膜の生成等を含む)を抑止する。 The first layer on the lower layer side (substrate side) is formed along the substrate surface with flat graphene. Therefore, the first layer serves as a barrier layer that inhibits contact between the surface of the base material and corrosive substances, and suppresses corrosion and oxidation of the base material (including generation of a passivation film, etc.).

上層側(表面側)の第2層は、弧状なグラフェンにより、炭素膜の(比)表面積を増加させる。このため第2層は、他部材(ガス拡散層等)や反応物質(反応ガス等)と接触したとき、両者の接触面積の増加やそれに伴う接触導電性の向上等に寄与する。 The second layer on the upper layer side (surface side) increases the (specific) surface area of the carbon film due to arc-shaped graphene. Therefore, when the second layer comes into contact with another member (gas diffusion layer, etc.) or a reactant (reactant gas, etc.), it contributes to an increase in the contact area between the two and an accompanying improvement in contact conductivity.

《炭素膜の成膜方法》
(1)上述した炭素膜は、その成膜方法を問わないが、例えば、大気圧付近の環境下にある被処理面へ、炭化水素ガスを含む原料ガスのプラズマを噴出させて、該被処理面に上述した炭素膜を成膜する方法によっても得られる。本発明は、このような炭素膜の成膜方法としても把握される。
<<Method of Forming Carbon Film>>
(1) The above-described carbon film can be formed by any method, but for example, plasma of a raw material gas containing a hydrocarbon gas is ejected onto the surface to be treated in an environment near atmospheric pressure, and the surface to be treated is It can also be obtained by the method of forming the above-described carbon film on the surface. The present invention can also be understood as a method for forming such a carbon film.

この場合、高真空な雰囲気等を用意するまでもなく成膜が可能となり、被処理面に炭素膜を成膜した被覆部材(例えば燃料電池用セパレータ)を、低コストで効率的に生産できる。なお、この成膜方法によれば、電気伝導性(導電性)でない基材(樹脂、セラミックス等の非金属材)にも炭素膜を付与できる。 In this case, the film can be formed without preparing a high-vacuum atmosphere or the like, and a coated member (for example, a fuel cell separator) having a carbon film formed on the surface to be treated can be efficiently produced at low cost. In addition, according to this film forming method, a carbon film can be applied to a base material (non-metallic material such as resin, ceramics, etc.) that is not electrically conductive (conductive).

(2)上述した成膜方法は、例えば、次のようなプラズマ装置を用いてなされてもよい。すなわち、前記原料ガスが供給される導入部と、該導入部の下流側に配設され、上流側から順に積層された第1絶縁体、第1電極、第2絶縁体および第2電極を有する生成部と、該第1絶縁体、該第1電極、該第2絶縁体および該第2電極を上流側から下流側に貫通する連通孔とを備え、該第1電極と該第2電極へ電圧を印加して、該連通孔から該原料ガスのプラズマを噴出させるプラズマ装置である。 (2) The film forming method described above may be performed using, for example, the following plasma apparatus. That is, it has an introduction section to which the raw material gas is supplied, and a first insulator, a first electrode, a second insulator, and a second electrode that are arranged downstream of the introduction section and stacked in order from the upstream side. and a communication hole penetrating through the first insulator, the first electrode, the second insulator and the second electrode from the upstream side to the downstream side, and connecting the first electrode and the second electrode. It is a plasma device that applies a voltage to eject the plasma of the raw material gas from the communication hole.

《被覆部材》
本発明は、基材と基材の少なくとも一部の表面を被覆する炭素膜とを有する被覆部材(導電性部材)、または上述した方法により基材の被処理面に炭素膜を成膜した被覆部材としても把握される。このような被覆部材は、炭素膜により、導電性や耐食性等が向上し得る。
《Covering material》
The present invention provides a coated member (conductive member) having a base material and a carbon film covering at least a part of the surface of the base material, or a coating formed by forming a carbon film on the surface of the base material to be treated by the method described above. It is also grasped as a member. Such a coated member can be improved in electrical conductivity, corrosion resistance, etc. by the carbon film.

被覆部材の一例として、燃料電池用セパレータがある。その基材は、例えば、チタン(合金)、ステンレス鋼等の金属基材である。その基材上(電極側、ガス拡散層側)に形成される炭素膜は、例えば、膜厚が10~1000nm、25~300nmさらには50~100nmである。 An example of the covering member is a fuel cell separator. The substrate is, for example, a metal substrate such as titanium (alloy) or stainless steel. The carbon film formed on the substrate (electrode side, gas diffusion layer side) has a film thickness of, for example, 10 to 1000 nm, 25 to 300 nm, or further 50 to 100 nm.

《その他》
(1)本明細書でいう「炭素膜」は、主成分がCであればよい。敢えていうと、例えば、炭素膜全体に対してCが70原子%(at%)以上、80at%以上さらには90at%以上含まれるとよい。なお、原料ガスにも依るが、炭素膜はC以外に、例えば、H等を含む。
"others"
(1) The "carbon film" referred to in this specification may be C as a main component. Suffice it to say, for example, C should be contained in an amount of 70 atomic % (at %) or more, 80 at % or more, further 90 at % or more with respect to the entire carbon film. The carbon film contains, for example, H, etc., in addition to C, although it depends on the raw material gas.

(2)炭素膜の「導電性」は、例えば、接触抵抗率により指標される。接触抵抗率は、敢えていうと、500mΩ/cm以下、50mΩ/cm以下、10mΩ/cm以下さらには5mΩ/cm以下であるとよい。 (2) The "conductivity" of the carbon film is indexed by contact resistivity, for example. The contact resistivity is, dare I say, 500 mΩ/cm 2 or less, 50 mΩ/cm 2 or less, 10 mΩ/cm 2 or less, or even 5 mΩ/cm 2 or less.

(3)本明細書でいう「大気圧付近」は、敢えていうと、大気圧(P)に対して、0.01P≦P≦1.1Pを満たす気圧(P)の範囲である。 (3) “Around atmospheric pressure” in this specification is, dare I say, a range of atmospheric pressure (P) that satisfies 0.01P 0 ≤ P ≤ 1.1P 0 with respect to atmospheric pressure (P 0 ). .

(4)本明細書でいう「x~y」は、特に断らない限り、下限値xおよび上限値yを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「a~b」のような範囲を新設し得る。本明細書でいう「x~ynm」は、特に断らない限り、xnm~ynmを意味する。他の単位系(mΩ/cm、kHz、sccm、mm等)についても同様である。 (4) "x to y" as used herein includes the lower limit value x and the upper limit value y unless otherwise specified. A new range such as “a to b” can be established as a new lower or upper limit of any numerical value included in the various numerical values or numerical ranges described herein. Unless otherwise specified, "x to ynm" as used herein means xnm to ynm. The same applies to other unit systems (mΩ/cm 2 , kHz, sccm, mm, etc.).

本発明の炭素膜の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram showing an example of the carbon film of the present invention. 一例であるプラズマ装置の概要を要部断面で示す斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a plasma apparatus as an example in a cross section of a main part; そのプラズマ装置により実際に発生させたプラズマを示す写真である。It is a photograph showing plasma actually generated by the plasma device. 試料1に係る膜のラマンスペクトルである。4 is a Raman spectrum of a film according to sample 1; 試料1に係る膜断面を観察したHRTEM像である。3 is an HRTEM image obtained by observing a film cross section of Sample 1. FIG. 接触抵抗の測定方法を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the measuring method of contact resistance. 従来の炭素膜(カーボンナノウォール)を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a conventional carbon film (carbon nanowall); FIG.

本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、炭素膜やその成膜方法のみならず、被覆部材またはその製造方法等にも適宜該当する。方法的な構成要素であっても物に関する構成要素となり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。 The components of the present invention may be supplemented with one or more optional components selected from herein. The contents described in this specification apply not only to the carbon film and its film forming method, but also to the coated member and its manufacturing method as appropriate. Even a method component can be a material component. Which embodiment is the best depends on the target, required performance, and the like.

《グラフェン/グラファイト》
グラフェン(graphene)は、グラファイト(graphite)の構成単位であり、Cspが六角形格子状に結合した六員環構造を基本構造とする一原子厚さのシート状物質である。
《Graphene/Graphite》
Graphene is a constituent unit of graphite, and is a one-atom-thick sheet-like material having a basic structure of a six-membered ring structure in which Csp2 is bonded in a hexagonal lattice.

(1)グラフェンの有無は、炭素膜のラマンスペクトルからわかる。ラマンスペクトル(Raman spectrum)は、ラマン分光法により得られ、入射光(励起光、レイリー散乱光)とラマン散乱光の波数差であるラマンシフト(Raman shift)を横軸(cm-1)、散乱強度(Raman intensity)を縦軸とした線図である。 (1) The presence or absence of graphene can be determined from the Raman spectrum of the carbon film. The Raman spectrum is obtained by Raman spectroscopy, and the Raman shift, which is the wave number difference between the incident light (excitation light, Rayleigh scattered light) and the Raman scattered light, is plotted on the horizontal axis (cm −1 ), and the scattering FIG. 2 is a diagram with Raman intensity on the vertical axis.

グラフェンが存在するとき、ラマンスペクトル上の1580cm-1付近に、Gバンド(G-band)と呼ばれるピークが現れる。グラフェンの積層数は、例えば、Gバンドのピーク位置のシフト量により指標される。散乱強度の強いストークス線側を観ると(以下同様)、積層数の増加によりピーク位置は、低周波数側(ラマンシフトの波数が増加する側)へシフトする。なお、グラフェンの積層数は、2700cm-1付近に現れるピークである2Dバンド(G’:Gプライム)から把握されてもよい。 When graphene exists, a peak called G-band appears near 1580 cm −1 on the Raman spectrum. The number of graphene stacks is indexed by, for example, the shift amount of the peak position of the G band. Looking at the Stokes line side where the scattering intensity is strong (the same applies hereinafter), the peak position shifts to the low frequency side (the side where the wavenumber of the Raman shift increases) as the number of layers increases. Note that the number of stacked layers of graphene may be grasped from the 2D band (G′: G prime), which is a peak appearing near 2700 cm −1 .

グラフェンは、基本構造中に、Cspが五角形や七角形の格子状に結合した格子欠陥等を含んでもよい。その構造の乱れ(Disorder)や欠陥(Defect)は、それらに由来してラマンスペクトル上の1360cm-1付近に現れるピークであるDバンド(D-band)からわかる。 Graphene may contain a lattice defect or the like in which Csp 2 is bonded in a pentagonal or heptagonal lattice in the basic structure. Disorders and defects in the structure are known from the D-band, which is a peak appearing near 1360 cm −1 on the Raman spectrum derived from them.

なお、各バンド域を敢えていうなら、例えば、Gバンド:1570~1620cm-1、Dバンド:1340~1380cm-1としてもよい。 If we dare to say each band range, for example, G band: 1570 to 1620 cm -1 and D band: 1340 to 1380 cm -1 may be used.

(2)グラフェンの形態は、炭素膜の断面を電子顕微鏡等で観察することにより把握され得る。電子顕微鏡には、例えば、透過電子顕微鏡(TEM)さらには高分解能透過電子顕微鏡(HRTEM:high-resolution transmission electron microscopy)を用いるとよい。 (2) The form of graphene can be grasped by observing the cross section of the carbon film with an electron microscope or the like. For the electron microscope, for example, a transmission electron microscope (TEM) or a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) may be used.

炭素膜の断面において、直線状(線分状)に観えるグラフェンを本明細書では「平状」のグラフェンといい、曲線状(弓状)に観えるグラフェンを本明細書では「弧状」のグラフェンという。3次元空間でいうと、平状のグラフェンは略平面状、弧状のグラフェンは曲面状(湾曲面状)になり得る。 In the cross section of the carbon film, the graphene that appears to be linear (linear) is referred to herein as “flat” graphene, and the graphene that appears to be curved (arcuate) is referred to herein as “arc”. called graphene. In terms of three-dimensional space, flat graphene can have a substantially planar shape, and arc-shaped graphene can have a curved surface (curved surface).

《炭素膜》
(1)結晶子サイズ
炭素膜に含まれるグラフェンは、通常、積層状態にあり、グラファイトの結晶を形成していると考えられる。各結晶の大きさは、次式(式1)により定義される結晶子サイズ(La/nm)により評価される。
La=560・(I/I-1/E (式1)
ここで、 E : 励起レーザのエネルギー(eV)
: Dバンドのピーク値
: Gバンドのピーク値
なお、I、Iには、ラマンスペクトル(励起光の波長:532.05nm)のストークス線側におけるピーク値である。
《Carbon film》
(1) Crystallite size Graphene contained in a carbon film is usually in a laminated state and is considered to form graphite crystals. The size of each crystal is evaluated by the crystallite size (La/nm) defined by the following formula (Formula 1).
La = 560·( ID / IG ) −1 /EL 4 (Formula 1)
where, E L : Energy of excitation laser (eV)
I D : Peak value of D band
IG : Peak value of G band Note that ID and IG are the peak values on the Stokes line side of the Raman spectrum (wavelength of excitation light: 532.05 nm).

各層に含まれるグラファイトは、例えば、結晶子サイズが10nm以上、15nm以上さらには20nm以上であるとよい。なお、結晶子サイズの上限値は、例えば、100nm以下さらには50nm以下としてもよい。結晶子サイズが大きいほど、炭素膜が被覆される基材の耐腐食性(耐酸化性、不動態膜生成等を含む。)や接触導電性が高まる。但し、結晶子サイズが過大になると、弧状のグラフェンが減少し、比表面積も減少して、接触導電性が低下し得る。 The graphite contained in each layer preferably has a crystallite size of, for example, 10 nm or more, 15 nm or more, or further 20 nm or more. The upper limit of the crystallite size may be, for example, 100 nm or less, or 50 nm or less. The larger the crystallite size, the higher the corrosion resistance (including oxidation resistance, passivation film formation, etc.) and contact conductivity of the substrate coated with the carbon film. However, if the crystallite size becomes excessively large, the arc-shaped graphene is reduced, the specific surface area is also reduced, and the contact conductivity may be lowered.

本明細書では、HRTEM等により直接観察されるグラファイトの結晶サイズとは関係なく、上述した式1により、その結晶子サイズを評価する。式1については、既述した非特許文献1に詳述されている。 In this specification, the crystallite size is evaluated by Equation 1 above, regardless of the graphite crystallite size directly observed by HRTEM or the like. Formula 1 is described in detail in Non-Patent Document 1 mentioned above.

(2)ラマンスペクトル
炭素膜中に含まれるグラファイトの結晶性に応じて、Gバンドの半値幅は、例えば、100cm-1以下、80cm-1以下さらには65cm-1以下となる。その下限値を敢えていえば、半値幅は、例えば、20cm-1以上さらには40cm-1以上でもよい。なお、本明細書でいう「半値幅」は、ラマンスペクトルに基づいて定まる半値全幅である。本発明の炭素膜は、結晶子サイズや半値幅から、従来の導電性DLC膜よりも結晶性が高いと考えられる。但し、本発明の炭素膜は、一般的にいわれる結晶質か非晶質を問わない。
(2) Raman spectrum Depending on the crystallinity of graphite contained in the carbon film, the half width of the G band is, for example, 100 cm -1 or less, 80 cm -1 or less, or 65 cm -1 or less. As for the lower limit, the half width may be, for example, 20 cm −1 or more, or 40 cm −1 or more. It should be noted that the “half width” referred to in this specification is the full width at half maximum determined based on the Raman spectrum. The carbon film of the present invention is considered to have higher crystallinity than the conventional conductive DLC film from the crystallite size and half width. However, the carbon film of the present invention may be generally called crystalline or amorphous.

炭素膜は、完全なグラフェンのみからなるとは限らず、そのラマンスペクトル上には、Gバンド以外のピーク(Dバンド、2Dバンド等)も現れ得る。このとき、Gバンドのピーク値(I)に対するDバンドのピーク値(I)の比率である強度比(I/I)は、例えば、0.6~1.4、1~1.3さらには1.1~1.2となる。 A carbon film does not necessarily consist only of complete graphene, and peaks other than the G band (D band, 2D band, etc.) may also appear on its Raman spectrum. At this time, the intensity ratio (I D /I G ), which is the ratio of the peak value (I D ) of the D band to the peak value (I G ) of the G band, is, for example, 0.6 to 1.4, 1 to 1 .3 and 1.1 to 1.2.

(3)各層
炭素膜を構成する各層の形態を模式的に図1に示した。以下、各層について説明する。なお、図1には、説明の便宜上、本発明に係る代表的な層のみを示したが、本発明の炭素膜は、さらに別な層を有してもよい。
(3) Layers The morphology of each layer constituting the carbon film is schematically shown in FIG. Each layer will be described below. Although FIG. 1 shows only representative layers according to the present invention for convenience of explanation, the carbon film of the present invention may have other layers.

第1層は、平状のグラフェンを含み、基材表面に沿って延在する平面状または曲面状であるとよい。第1層が基材表面を緻密に被覆することにより、腐食物質(例えば酸性腐食液、腐食性ガス等)と基材表面の接触が阻止され、基材表面における化学変化(変質)が抑止される。第1層の厚さは、例えば、1~100nmさらには3~20nmである。 The first layer preferably contains planar graphene and has a planar or curved shape extending along the substrate surface. The dense coating of the first layer on the substrate surface prevents contact between corrosive substances (e.g., acidic corrosive liquids, corrosive gases, etc.) and the substrate surface, thereby suppressing chemical changes (alteration) on the substrate surface. be. The thickness of the first layer is, for example, 1-100 nm or even 3-20 nm.

第2層は、弧状のグラフェンを含み、その表面(基材側(第1層側)が裏面)は、例えば、開口した湾曲状の窪みが分布してできた凹凸状となる。第2層により、炭素膜の比表面積が増加し、炭素膜と他部材または反応物質との接触性が向上し得る。 The second layer includes arc-shaped graphene, and its surface (the substrate side (the first layer side) is the back surface) has an uneven shape in which, for example, open curved depressions are distributed. The second layer increases the specific surface area of the carbon film and can improve the contact between the carbon film and other members or reactants.

その窪みは、具体的な形態は問わず、例えば、略半球面状、略有底筒状等のいずれでもよい。窪みの中央は、平面状でも曲面状でもよい。逆に、窪みの端部は、第1層に向かって縦立しているとよい。これにより、炭素膜の表面から基材への電子移動性が高まる。なお、敢えていうと、「縦立」は、窪みの最表面端における接線と第1層(基材表面)のなす角度が略垂直(30°~150°、45°~135°さらには60°~120°)であるとよい。 The recess may have any specific shape, and may be, for example, substantially hemispherical, substantially cylindrical with a bottom, or the like. The center of the recess may be planar or curved. Conversely, the ends of the depressions may stand upright toward the first layer. This increases electron mobility from the surface of the carbon film to the substrate. In addition, dare to say, "vertical" means that the angle formed by the tangent line at the outermost surface end of the depression and the first layer (substrate surface) is approximately perpendicular (30 ° to 150 °, 45 ° to 135 ° and even 60 ° ~120°).

窪みの開口サイズ(表面側の開口幅の最大値)は、例えば、1~100nmさらには3~20nmである。第2層の厚さは、例えば、1~500nm、5~100nmさらには10~50nmである。 The opening size of the depression (maximum opening width on the surface side) is, for example, 1 to 100 nm, further 3 to 20 nm. The thickness of the second layer is, for example, 1-500 nm, 5-100 nm or even 10-50 nm.

なお、第1層から第2層への遷移域(例えば、第1層の上面側から第2層の窪みの下面側へ至る接続域)には、平状のグラフェンおよび/または弧状のグラフェン、またはそれらの積層体(グラファイト)からなる中間層(接続層、充填層)があってもよい(図1参照)。 In addition, in the transition region from the first layer to the second layer (for example, the connection region from the upper surface side of the first layer to the lower surface side of the depression of the second layer), flat graphene and / or arc-shaped graphene, Alternatively, there may be an intermediate layer (connection layer, filling layer) composed of a laminate (graphite) (see FIG. 1).

《成膜方法》
プラズマ装置を用いて炭素膜を成膜する場合を例にとり、以下説明する。
<<Method of forming film>>
An example of forming a carbon film using a plasma apparatus will be described below.

(1)プラズマ装置は、例えば、上流側から順に積層された第1絶縁体、第1電極、第2絶縁体および第2電極を、貫通する連通孔からプラズマを噴出する。プラズマは、連通孔内に露出した第1電極の内周面と第2電極の内周面の間の放電により生じる。連通孔内に生じたプラズマ(気体分子が電離してできた電子、ラジカル、イオン等)は、連通孔の上流端口から導入された原料ガスの流れ(気流)に押し出されて、連通孔の下流端口から導出(噴出)される。このようなプラズマ装置によれば、誘電体バリア放電装置等と異なり、放電電流の大きい高電流密度なプラズマの生成も可能となる。このため、大気圧近傍の雰囲気下にあるワーク(基材)の被処理面に対しても、効率的なプラズマ処理が可能となる。なお、本明細書でいう上流と下流は、原料ガスまたはプラズマの流れる方向に沿う。 (1) The plasma device ejects plasma from a communication hole passing through, for example, a first insulator, a first electrode, a second insulator, and a second electrode, which are stacked in order from the upstream side. Plasma is generated by discharge between the inner peripheral surface of the first electrode and the inner peripheral surface of the second electrode exposed in the communication hole. Plasma (electrons, radicals, ions, etc. formed by ionization of gas molecules) generated in the communicating hole is pushed out by the flow of the raw material gas (air current) introduced from the upstream end of the communicating hole, and flows downstream of the communicating hole. It is drawn out (ejected) from the end port. According to such a plasma apparatus, unlike a dielectric barrier discharge apparatus or the like, it is possible to generate plasma with a large discharge current and a high current density. Therefore, efficient plasma processing can be performed even on the surface to be processed of the work (base material) in an atmosphere near the atmospheric pressure. It should be noted that upstream and downstream referred to in this specification are along the direction of flow of source gas or plasma.

各電極は、例えば、ステンレス鋼、鉄、銅、チタン、タングステン、アルミニウム等の金属材からなる。絶縁体は、例えば、セラミックス、石英、ガラス、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド(例えばカプトン)等からなる。セラミックスには、例えば、耐熱性にも優れたアルミナ(Al)窒化アルミニウム(AlN)、窒化ボロン(BN)等を用いることができる。 Each electrode is made of metal such as stainless steel, iron, copper, titanium, tungsten, and aluminum. The insulator is made of, for example, ceramics, quartz, glass, polytetrafluoroethylene, polyimide (eg Kapton), or the like. For ceramics, for example, alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), boron nitride (BN), etc., which are also excellent in heat resistance, can be used.

各電極の厚さは、例えば、1~30mmさらには5~15mmである。各絶縁体の厚さは、例えば、0.1~20mmさらには1~10mmである。特に、第1絶縁体の厚さ(第1電極と第2電極の間隔)は0.1~5mmさらには0.5~3mmとするとよい。この厚さが過小では絶縁体が部分的に絶縁破壊して放電が不安定となる。その厚さは大きくてもよいが、過大になると放電電圧が大きくなり電源の装置コストが増加する。 The thickness of each electrode is, for example, 1-30 mm or even 5-15 mm. The thickness of each insulator is, for example, 0.1-20 mm or even 1-10 mm. In particular, the thickness of the first insulator (the distance between the first electrode and the second electrode) is preferably 0.1 to 5 mm, more preferably 0.5 to 3 mm. If the thickness is too small, the insulator will partially break down and the discharge will become unstable. Its thickness may be large, but if it is too large, the discharge voltage will increase and the equipment cost of the power supply will increase.

第2電極は、ワーク(またはそれを載置するステージ)と同電位でもよいし、それらに対してバイアス電位が付与されてもよい。両者間の電位差が適切なら、第2電極の下面とワークの間で放電が生じずに、プラズマはワークの被処理面へ効率的に誘導される。なお、第2電極の下面側(ワーク側)は絶縁体(膜)で覆われていてもよい。バイアス電位を付与しないとき、第2電極、ステージ(またはワーク)、それらを囲う筐体(チャンバー)等は共に接地されていてもよい。 The second electrode may have the same potential as the work (or the stage on which it is placed), or may be given a bias potential. If the potential difference between the two is appropriate, the plasma is efficiently guided to the surface of the workpiece to be processed without causing electrical discharge between the lower surface of the second electrode and the workpiece. The lower surface side (work side) of the second electrode may be covered with an insulator (film). When no bias potential is applied, the second electrode, the stage (or workpiece), the housing (chamber) surrounding them, and the like may all be grounded.

連通孔の形態や配置等は適宜、調整される。連通孔の断面は、例えば、丸孔状でも、スリット状(楕円状、長円状、方形状等)でもよい。丸孔状の孔径は、例えば、φ0.1~10mmさらにはφ0.5~5mmとするとよい。スリット状の孔サイズは、例えば、最大幅0.1~10mmさらには0.5~5mm、最大長20~200mmさらには40~120mmとするとよい。過小な連通孔は、長時間の成膜により詰まるおそれがある。過大な連通孔はプラズマの吹出長が小さくなる。 The shape, arrangement, etc. of the communication holes are appropriately adjusted. The cross-section of the communication hole may be, for example, circular or slit-like (elliptical, oval, rectangular, etc.). The hole diameter of the round hole is, for example, φ0.1 to 10 mm, or φ0.5 to 5 mm. The size of the slit-like hole may be, for example, a maximum width of 0.1 to 10 mm, preferably 0.5 to 5 mm, and a maximum length of 20 to 200 mm, preferably 40 to 120 mm. An excessively small communicating hole may be clogged by film formation for a long time. An excessively large communication hole shortens the length of plasma blowout.

連通孔は、一つもでも複数でもよい。連通孔が複数あると、各連通孔の配置は、規則的でも不規則でもよい。 One or more communication holes may be provided. If there are a plurality of communication holes, the arrangement of each communication hole may be regular or irregular.

(2)原料ガスは、少なくとも炭素源ガスを含む。炭素源ガスは、例えば、メタン、エタン、プロパン、エチレン、アセチレン等の一種以上を含む炭化水素ガスである。原料ガスは、炭素源ガスに加えて、窒素ガスや希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xe等)等を含んでもよい。特に原料ガスは、炭素源ガス(メタン等)と希ガス(Ar等)の混合ガスを用いるとよい。 (2) The raw material gas contains at least a carbon source gas. A carbon source gas is, for example, a hydrocarbon gas containing one or more of methane, ethane, propane, ethylene, acetylene, and the like. The raw material gas may contain nitrogen gas, rare gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe, etc.) in addition to the carbon source gas. In particular, the raw material gas is preferably a mixed gas of a carbon source gas (such as methane) and a rare gas (such as Ar).

原料ガスの流量は、成膜条件(膜厚、印加電圧、連通孔のサイズ等)に応じて、適宜調整され得る。炭素源ガスの流量は、例えば、合計で30~2000sccm(標準条件:1気圧×0℃/以下同様)、さらには50~300sccmとするとよい。希ガスの流量は、例えば、100~3000sccmさらには200~1000sccmとするとよい。炭素源ガスが過少では、成膜性が低下する。各ガスは多くてもよいが、余剰なガスが増加する。なお、原料ガス中には、少量の不純物(酸素等)が含まれてもよい。 The flow rate of the raw material gas can be appropriately adjusted according to film formation conditions (film thickness, applied voltage, size of communicating holes, etc.). The flow rate of the carbon source gas may be, for example, 30 to 2000 sccm in total (standard conditions: 1 atm×0° C./same below), and further preferably 50 to 300 sccm. The flow rate of the rare gas may be, for example, 100 to 3000 sccm, or even 200 to 1000 sccm. If the amount of the carbon source gas is too small, the film formability will deteriorate. Each gas can be more, but the surplus gas increases. Note that the raw material gas may contain a small amount of impurities (such as oxygen).

(3)プラズマ発生に必要な電圧が電源から各電極間に印加される。印加電圧は、直流電圧でも、交流電圧でも、パルス電圧でもよい。交流電圧またはパルス電圧は、例えば、周波数を1k~50kHzさらには5k~20kHzとするとよい。 (3) A voltage required for plasma generation is applied between the electrodes from a power source. The applied voltage may be a DC voltage, an AC voltage, or a pulse voltage. The AC voltage or pulse voltage may have a frequency of, for example, 1 kHz to 50 kHz, or 5 kHz to 20 kHz.

印加電圧(最大値から最小値までの電圧差/peak to peak value)は、例えば、200~2000Vさらには400~1000Vとするとよい。通常、第2電極に対して第1電極に、正または負の高圧電圧が印加される。第2電極は、例えば、接地されているとよい。 The applied voltage (the voltage difference from the maximum value to the minimum value/peak to peak value) is preferably 200 to 2000V, further 400 to 1000V, for example. Typically, a positive or negative high voltage is applied to the first electrode with respect to the second electrode. The second electrode may be grounded, for example.

(4)連通孔の下端開口からワークまでの距離(間隔)は、例えば、0.1~20mmさらには0.5~10mmとするとよい。その間隔を適切に調整することにより、所望の炭素膜を安定して成膜できる。 (4) The distance (interval) from the lower end opening of the communicating hole to the work may be, for example, 0.1 to 20 mm, further preferably 0.5 to 10 mm. By appropriately adjusting the gap, a desired carbon film can be stably formed.

大気圧下にあるワークの被処理面に対しても炭素膜の成膜が可能であるが、少なくともワーク周辺を準大気圧としてもよい。これにより、処理に用いた原料ガスやプラズマ等の外部への漏出や拡散を防止でき、好適な作業環境の維持が図られる。従って、ドラフト装置、真空ポンプ等により排気された収容室(チャンバー等)内で、炭素膜の成膜がなされるとよい。 A carbon film can be formed on the surface of the workpiece under atmospheric pressure, but at least the periphery of the workpiece may be under sub-atmospheric pressure. As a result, it is possible to prevent the material gas, plasma, and the like used in the process from leaking or diffusing to the outside, and maintaining a suitable working environment. Therefore, it is preferable that the carbon film is formed in a containment chamber (chamber or the like) evacuated by a draft device, a vacuum pump, or the like.

被処理面は、例えば、300~700℃さらには350~650℃に加熱されていると、Hの少ない緻密な炭素膜が形成され得る。加熱温度が過小であるとその効果が乏しく、加熱温度が過大であると基材の変質、炭素膜と基材との反応等が生じ得る。 If the surface to be treated is heated to, for example, 300 to 700° C. or even 350 to 650° C., a dense carbon film with less H can be formed. If the heating temperature is too low, the effect is poor, and if the heating temperature is too high, deterioration of the base material, reaction between the carbon film and the base material, etc. may occur.

被処理面の温度調整は、例えば、ワークを載置したステージに内蔵したヒーター等によりなされる。またワークの面方向に沿って、ステージを連通孔に対して相対移動させると、広範囲で炭素膜を効率的に成膜し得る。 The temperature of the surface to be processed is adjusted, for example, by a heater or the like incorporated in the stage on which the workpiece is placed. Further, by moving the stage relative to the communication hole along the planar direction of the workpiece, the carbon film can be efficiently formed over a wide range.

被処理面は、炭素膜の成膜前に、浄化や粗面化等の前処理等がなされていてもよい。前処理は、上述したプラズマ装置を用いてなされてもよい。例えば、炭素源ガスを含まないプラズマを被処理面へ噴出させる前処理を行ってもよい。 The surface to be treated may be subjected to pretreatment such as purification or roughening before the carbon film is formed. Pretreatment may be done using the plasma apparatus described above. For example, pretreatment may be performed in which plasma containing no carbon source gas is jetted onto the surface to be treated.

《被覆部材》
基材の被処理面に炭素膜が成膜された被覆部材は、電気・電子分野に限らず、機械分野、化学分野等でも用いられる。被覆部材の基材は適宜選択され、例えば、金属の他、樹脂等でもよい。
《Covering material》
A coated member in which a carbon film is formed on the surface of a base material to be processed is used not only in the electric/electronic field but also in the mechanical field, the chemical field, and the like. The base material of the covering member is appropriately selected, and may be, for example, metal or resin.

本発明に係る被覆部材の代表例として、電極側表面に炭素膜を設けた金属基材からなる燃料電池用セパレータ(「メタルセパレータ」または単に「セパレータ」ともいう。)がある。メタルセパレータは、従来のカーボンセパレータよりも高強度で、導電性、ガス遮蔽性、ガス流路(溝)の成形性等に優れ、燃料電池の低コスト化や小型化等に寄与する。 A representative example of the coated member according to the present invention is a fuel cell separator (also referred to as "metal separator" or simply "separator") made of a metal substrate having a carbon film on the electrode side surface. Metal separators have higher strength than conventional carbon separators, and are superior in electrical conductivity, gas shielding properties, and gas channel (groove) moldability, and contribute to cost reduction and miniaturization of fuel cells.

金属基材には、不動態膜(酸化膜)等の保護膜が生成される高耐食性の金属(ステンレス鋼系基材、チタン系基材、アルミニウム系基材等)が用いられる。但し、メタルセパレータの表面に形成される保護膜は、一般的に、ガス拡散層(GDL)との接触抵抗を増加させ、ひいては燃料電池の発電効率(出力)を低下させ得る。 As the metal substrate, a highly corrosion-resistant metal (stainless steel-based substrate, titanium-based substrate, aluminum-based substrate, etc.) that forms a protective film such as a passive film (oxide film) is used. However, the protective film formed on the surface of the metal separator generally increases the contact resistance with the gas diffusion layer (GDL), which in turn can reduce the power generation efficiency (output) of the fuel cell.

本発明の炭素膜(特に第1層)は、そのような保護膜を生成または成長させる酸性腐食液と金属基材表面との接触を抑止し、セパレータとガス拡散層との接触抵抗の低減や安定化に寄与し得る。なお、酸性腐食液は、主に、燃料電池の電解質へ供給される加湿水や燃料電池の稼働中に生じる水(副生成)が酸性液となって生じる。 The carbon film (particularly the first layer) of the present invention prevents contact between the acidic corrosive liquid that produces or grows such a protective film and the surface of the metal substrate, thereby reducing the contact resistance between the separator and the gas diffusion layer. It can contribute to stabilization. Note that the acidic corrosive liquid is mainly produced as an acidic liquid from humidifying water supplied to the electrolyte of the fuel cell and water (by-product) generated during the operation of the fuel cell.

また本発明の炭素膜(特に第2層)は、表面積が大きいため、ガス拡散層(GDL)との接触面積も大きくなり易い。この点でも本発明の炭素膜は、セパレータとガス拡散層との接触抵抗の低減や安定化に寄与し得る。こうして、少なくとも電極側表面が本発明の炭素膜で被覆されたメタルセパレータを用いれば、燃料電池の低コスト化や出力の安定化等が可能となり得る。 Moreover, since the carbon film of the present invention (especially the second layer) has a large surface area, the contact area with the gas diffusion layer (GDL) tends to be large. In this respect as well, the carbon film of the present invention can contribute to reducing and stabilizing the contact resistance between the separator and the gas diffusion layer. Thus, if a metal separator having at least the electrode-side surface coated with the carbon film of the present invention is used, it is possible to reduce the cost of the fuel cell and stabilize the output.

燃料電池は、その型式を問わない。燃料電池には、固体高分子型燃料電池(PEFC)、りん酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、固体酸化物型燃料電池(SOFC)などがある。固体高分子型燃料電池は、高効率で低温作動でき、小型化が可能なため、自動車用等で利用されている。 The fuel cell can be of any type. Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuel cells (SOFC), and the like. Polymer electrolyte fuel cells are used in automobiles and the like because they are highly efficient, can operate at low temperatures, and can be miniaturized.

ちなみに固体高分子型燃料電池は、各セル毎に、その略中央に配設された固体高分子電解質膜と、その一方側にあるアノード(負極、燃料極)と、その他方側にあるカソード(正極、酸素(空気)極)とを備える。各極はそれぞれ、電解質膜側から順に、触媒層と、ガス拡散層と、セパレータが積層されてなる。触媒層は、例えば、カーボン微粒子にPt-Ru(アノード側)またはPt(カソード側)を担持させてなる。ガス拡散層は、例えば、(PAN系)炭素繊維不織布等からなる。セパレータは、ガス供給、集電体、外壁構造体等として機能する。 By the way, a polymer electrolyte fuel cell has a solid polymer electrolyte membrane disposed approximately in the center of each cell, an anode (negative electrode, fuel electrode) on one side, and a cathode (negative electrode, fuel electrode) on the other side for each cell. positive electrode and oxygen (air) electrode). Each electrode is formed by stacking a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a separator in order from the electrolyte membrane side. The catalyst layer is formed by, for example, carrying Pt—Ru (on the anode side) or Pt (on the cathode side) on carbon fine particles. The gas diffusion layer is made of, for example, a (PAN-based) carbon fiber nonwoven fabric. The separator functions as a gas supply, current collector, outer wall structure, and the like.

大気圧雰囲気下にある基材表面に炭素膜を成膜した試料(被覆部材)を製作し、その炭素膜のラマン分光分析、断面観察および接触抵抗率の測定を行った。このような具体例を示しつつ、以下に、本発明より具体的に説明する。 A sample (coated member) was prepared by forming a carbon film on the surface of a substrate under atmospheric pressure, and the carbon film was subjected to Raman spectroscopic analysis, cross-sectional observation, and contact resistivity measurement. While showing such a specific example, the present invention will be described more specifically below.

《プラズマ装置》
炭素膜の成膜に用いたプラズマ装置S(単に「装置S」という。)の概要(要部断面)を図2Aに示した。なお、説明の便宜上、上下、前後または左右の各方向は、図中に示した矢印方向とする。
《Plasma Device》
FIG. 2A shows an outline (partial cross section) of a plasma apparatus S (simply referred to as "apparatus S") used for forming a carbon film. For convenience of explanation, each direction of up and down, front and rear, or left and right is the direction of the arrow shown in the drawing.

装置Sは、原料ガスの導入部1と、プラズマの生成部2と、電源6を備える。図2Aには、ヒータを内蔵したステージ3上に載置されたワークwも併せて示した。 The apparatus S includes a raw material gas introduction section 1 , a plasma generation section 2 , and a power source 6 . FIG. 2A also shows the workpiece w placed on the stage 3 with a built-in heater.

生成部2は、上方から順に、絶縁板211(第1絶縁体)、電極板221(第1電極)、絶縁板212(第2絶縁体)、電極板222(第2電極)が積層されてなる。また生成部2は、それら上下方向に貫通したノズル20(連通孔)を有する。ノズル20は、生成部2の前後方向(幅方向)の略中央で、左右方向(長手方向)に延在した細長状(スリット状)である。 In the generator 2, an insulating plate 211 (first insulator), an electrode plate 221 (first electrode), an insulating plate 212 (second insulator), and an electrode plate 222 (second electrode) are laminated in order from above. Become. The generator 2 also has nozzles 20 (communication holes) penetrating in the vertical direction. The nozzle 20 has an elongated shape (slit shape) extending in the left-right direction (longitudinal direction) at substantially the center in the front-rear direction (width direction) of the generation unit 2 .

電極板221と電極板222の間に電源6から高電圧が印加されると、ノズル20の内周面221aと内周面222aとの間で放電が生じて、ノズル20内にプラズマpが発生する。プラズマpは、上流から下流に向かうノズル20内の気流(原料ガスの流れ)に押されて、ノズル20の下端開口20bから噴出する。 When a high voltage is applied from the power source 6 between the electrode plates 221 and 222, discharge occurs between the inner peripheral surface 221a and the inner peripheral surface 222a of the nozzle 20, generating plasma p within the nozzle 20. do. The plasma p is pushed by the airflow (raw material gas flow) in the nozzle 20 from upstream to downstream and jets out from the lower end opening 20b of the nozzle 20 .

《プラズマ生成》
次のような装置Sを実際に試作した。電極板221、222にはステンレス鋼(SUS304)の圧延板を、絶縁板211、212にはアルミナ(Al)の焼成体を用いた。電極板221の厚みは2mm、電極板222の厚みは1mm、絶縁板211の厚みは2mm、絶縁板212の厚みは1mmとした。ノズル20の開口は、1mm×25mmとした。電源にはパルス電源を用いた。
《Plasma Generation》
The following device S was actually manufactured as a prototype. The electrode plates 221 and 222 are made of rolled stainless steel (SUS304), and the insulating plates 211 and 212 are made of sintered alumina (Al 2 O 3 ). The thickness of the electrode plate 221 was 2 mm, the thickness of the electrode plate 222 was 1 mm, the thickness of the insulating plate 211 was 2 mm, and the thickness of the insulating plate 212 was 1 mm. The opening of the nozzle 20 was 1 mm×25 mm. A pulse power source was used as the power source.

導入部1へ窒素ガスを供給し、電極板221と電極板222の間にパルス電圧(600V(Peak to Peak 値)、周波数6kHz、矩形波)を印加した。電極板222の下面側を観察したところ、図2Bに示すように、ノズル20の下端開口20bに紫色のグロー放電が観られ、プラズマpの発生(噴出)が確認された。 Nitrogen gas was supplied to the introduction portion 1 and a pulse voltage (600 V (Peak to Peak value), frequency 6 kHz, rectangular wave) was applied between the electrode plates 221 and 222 . When the lower surface side of the electrode plate 222 was observed, as shown in FIG. 2B, purple glow discharge was observed at the lower end opening 20b of the nozzle 20, and generation (ejection) of plasma p was confirmed.

《試料の製作》
試作した装置Sを用いて、表1に示す条件下で成膜を行った。
《Production of samples》
Film formation was carried out under the conditions shown in Table 1 using the prototype apparatus S.

ワークwには、純チタン板(100mm×110mm×t0.1 mm)を用いた。ワークwはステージ3の内蔵ヒータで加熱した。 A pure titanium plate (100 mm×110 mm×t0.1 mm) was used as the work w. The workpiece w was heated by the built-in heater of the stage 3.

原料ガスには、メタンガス(炭化水素ガス)とアルゴンガス(希ガス)の混合ガスを用いた。ワークwの加熱温度は500℃とした。電極板222の下面(ノズル20の下端開口20b)とワークwの被処理面waとの距離は4mmとした。 A mixed gas of methane gas (hydrocarbon gas) and argon gas (rare gas) was used as the source gas. The heating temperature of the workpiece w was set to 500°C. The distance between the lower surface of the electrode plate 222 (lower end opening 20b of the nozzle 20) and the processed surface wa of the workpiece w was set to 4 mm.

こうして装置Sを用いて生成した原料ガスのプラズマpを、大気圧付近の環境下にあるワークwの被処理面waへ30分間照射した。このとき、ノズル20の下端開口20bを被処理面waに対して、相対速度0.06mm/秒で36mmの範囲を往復動(走査)させた。 The plasma p of the raw material gas generated by using the apparatus S in this way was irradiated to the surface to be processed wa of the workpiece w in an environment near atmospheric pressure for 30 minutes. At this time, the lower end opening 20b of the nozzle 20 was reciprocated (scanned) over a range of 36 mm with respect to the surface to be processed wa at a relative speed of 0.06 mm/sec.

《分析・観察》
(1)膜構造
試料1の膜をラマン分光装置(日本分光株式会社製NRS-3200/励起光の波長:532.05nm)を用いて分析した。得られたラマンスペクトルを図3に示した。
《Analysis/Observation》
(1) Film Structure The film of Sample 1 was analyzed using a Raman spectrometer (NRS-3200 manufactured by JASCO Corporation/wavelength of excitation light: 532.05 nm). The obtained Raman spectrum is shown in FIG.

各試料に係るラマンスペクトルから、GバンドとDバンドについて、各ピーク値の波数と、それらピーク値の比率(I/I)とをそれぞれ求めた。また、Gバンドについては、ピークの半値幅も求めた。これらの結果を表1にまとめて示した。 From the Raman spectrum of each sample, the wave number of each peak value and the ratio (I D /I G ) of these peak values were determined for the G band and D band. For the G band, the half width of the peak was also obtained. These results are summarized in Table 1.

(2)TEM
試料1に係る膜断面を、電界放出型透過電子顕微鏡(日本電子株式会社製JEM-2100F)で観察し、図4に示すTEM像およびHRTEM像を取得した。なお、断面観察は、集束イオンビーム複合加工観察装置(FIB-SEM/株式会社日立ハイテクノロジーズ製NB5000)により製作したTEM試料を、低エネルギーイオンミリング装置(有限会社日本フィジテック製Gentle Mill)でさらに極薄片化した試料を用いて行った。
(2) TEM
A cross section of the film of Sample 1 was observed with a field emission transmission electron microscope (JEM-2100F manufactured by JEOL Ltd.), and the TEM image and HRTEM image shown in FIG. 4 were obtained. For cross-sectional observation, a TEM sample produced by a focused ion beam composite processing observation device (FIB-SEM/ NB5000 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) was further processed using a low-energy ion milling device (Gentle Mill manufactured by Nihon Physitec Co., Ltd.). It was carried out using a sliced sample.

《測定》
(1)試料1の膜について、初期(腐食試験前)の接触抵抗率を次のようにして求めた。図5に示すように、試料の上面側(被膜側)にカーボンペーパーを載置する。それらを2枚の銅板で挟持する。このとき、銅板間を1.47MPaで垂直方向に加圧した。また、試料およびカーボンペーパーと接触する銅板の各表面には金めっきを施しておいた。
"measurement"
(1) For the film of sample 1, the initial contact resistivity (before the corrosion test) was determined as follows. As shown in FIG. 5, carbon paper is placed on the upper surface side (film side) of the sample. They are sandwiched between two copper plates. At this time, pressure was applied vertically between the copper plates at 1.47 MPa. In addition, each surface of the copper plate in contact with the sample and the carbon paper was plated with gold.

直流電源から1Aの定電流(I)を銅板間に供給した。銅板間の加圧開始から60秒後に、試料の基材とカーボンペーパーの間の電位差(V)を測定した。こうして算出された両者間の電気抵抗値(R=V/I)を、試料とカーボンペーパーの接触面積4cm(2cm×2cm)で除して、接触抵抗率を求めた。その接触抵抗率を表1に併せて示した。なお、成膜前の基材のみ(ワークw)の接触抵抗率は3mΩ・cmであった。 A constant current (I) of 1 A was supplied between the copper plates from a DC power source. After 60 seconds from the start of pressurization between the copper plates, the potential difference (V) between the substrate of the sample and the carbon paper was measured. The contact resistivity was determined by dividing the electrical resistance value (R=V/I) between the two thus calculated by the contact area of 4 cm 2 (2 cm×2 cm) between the sample and the carbon paper. The contact resistivity is also shown in Table 1. The contact resistivity of the substrate alone (workpiece w) before film formation was 3 mΩ·cm 2 .

(2)腐食試験後の試料1の膜についても同様に接触抵抗率を測定した。その接触抵抗率も表1に併せて示した。なお、腐食試験は、F:30ppmとCl:10ppmを含んだ硫酸水溶液(pH3)中に試料(4cm:2cm×2cm)を浸漬し、定電位(0.9V)を印加した状態で8時間保持して行った。接触抵抗率の測定は、腐食試験後の試料を水洗、乾燥させてから行った。 (2) The contact resistivity was similarly measured for the film of sample 1 after the corrosion test. The contact resistivity is also shown in Table 1. In the corrosion test, a sample (4 cm 2 : 2 cm × 2 cm) was immersed in an aqueous sulfuric acid solution (pH 3) containing 30 ppm F and 10 ppm Cl, and a constant potential (0.9 V) was applied for 8 hours. kept it. The contact resistivity was measured after the sample after the corrosion test was washed with water and dried.

《評価》
(1)膜構造
図3に示したラマンスペクトルおよび表1から、各試料に係る膜は、Gバンドを有する炭素膜であることが確認された。
"evaluation"
(1) Film Structure From the Raman spectrum shown in FIG. 3 and Table 1, it was confirmed that the film of each sample was a carbon film having a G band.

図3から明らかなように、試料1の炭素膜はピークがシャープであり、結晶性が高いこともわかった。 As is clear from FIG. 3, the carbon film of Sample 1 has a sharp peak and is highly crystalline.

図4から明らかなように、試料1の炭素膜は、基材界面に沿って平行に延びた平状のグラフェンを含むグラファイト層(第1層)と、その上に形成された弧状のグラフェンを含むグラファイト層(第2層/破線の囲み領域)と備えることが確認された。 As is clear from FIG. 4, the carbon film of sample 1 consists of a graphite layer (first layer) containing flat graphene extending parallel to the substrate interface and arc-shaped graphene formed thereon. It was confirmed to have a graphite layer (second layer/dashed box).

(2)結晶子サイズ
ラマンスペクトルから求まる強度比(I/I):1.16と、励起レーザのエネルギー(E):2.33(eV)を既述した式1に代入すると、結晶子サイズ(La)は約16.3nmとなった。
(2) Crystallite size By substituting the intensity ratio (I D /I G ): 1.16 obtained from the Raman spectrum and the excitation laser energy (E L ): 2.33 (eV) into the above-described formula 1, The crystallite size (La) was approximately 16.3 nm.

(3)接触抵抗率
表1から明らかなように、試料1の炭素膜は接触抵抗率が小さく、その接触抵抗率は腐食試験後でも殆ど変化しなかった。
(3) Contact Resistivity As is clear from Table 1, the carbon film of Sample 1 had a low contact resistivity, and the contact resistivity hardly changed even after the corrosion test.

以上から、本発明の炭素膜は新たな膜構造を有し、腐食環境下にある基材に対しても、安定した導電性を付与し得ることが確認された。 From the above, it was confirmed that the carbon film of the present invention has a new film structure and can impart stable conductivity even to substrates in corrosive environments.

Figure 0007160053000001
Figure 0007160053000001

S プラズマ装置
1 導入部
2 生成部
20 ノズル(連通孔)
211 絶縁板(第1絶縁体)
212 絶縁板(第2絶縁体)
221 電極板(第1電極)
222 電極板(第2電極)
w ワーク
S plasma device 1 introduction part 2 generation part 20 nozzle (communication hole)
211 insulating plate (first insulator)
212 insulating plate (second insulator)
221 electrode plate (first electrode)
222 electrode plate (second electrode)
w work

Claims (10)

平状のグラフェンを含む第1層と、
該第1層上に形成され、表面側に開口した弧状のグラフェンを含む第2層と、
を有する炭素膜。
a first layer containing flat graphene;
a second layer formed on the first layer and containing arc-shaped graphene opened on the surface side ;
A carbon film having
結晶子サイズが15nm以上であるグラファイトを含む請求項1に記載の炭素膜。 2. The carbon film according to claim 1, comprising graphite having a crystallite size of 15 nm or more. 前記第2層は、開口した湾曲状の窪みが分布してできた凹凸状の表面を有する請求項1または2に記載の炭素膜。 3. The carbon film according to claim 1, wherein the second layer has an uneven surface formed by distribution of open curved depressions. 前記窪みの端部は、前記第1層に向かって縦立している請求項3に記載の炭素膜。 4. The carbon film according to claim 3, wherein the end of said depression stands upright toward said first layer. 燃料電池用セパレータの少なくとも電極側表面に形成される請求項1~4のいずれかに記載の炭素膜。 The carbon membrane according to any one of claims 1 to 4, which is formed on at least the electrode-side surface of a fuel cell separator. 大気圧付近の環境下にあり300~700℃に加熱された被処理面へ、炭化水素ガスを含む原料ガスのプラズマを噴出させて、該被処理面に請求項1~5のいずれかに記載の炭素膜を成膜する方法。 Plasma of a raw material gas containing a hydrocarbon gas is ejected onto the surface to be treated which is in an environment near atmospheric pressure and heated to 300 to 700° C., and the surface to be treated is exposed to any one of claims 1 to 5. A method for depositing the described carbon film. 前記原料ガスは、さらに希ガスを含む請求項6に記載の炭素膜の成膜方法。 7. The method of forming a carbon film according to claim 6, wherein the raw material gas further contains a rare gas. 前記原料ガスが供給される導入部と、
該導入部の下流側に配設され、上流側から順に積層された第1絶縁体、第1電極、第2絶縁体および第2電極を有する生成部と、
該第1絶縁体、該第1電極、該第2絶縁体および該第2電極を上流側から下流側に貫通する連通孔とを備え、
該第1電極と該第2電極へ電圧を印加して、該連通孔から該原料ガスのプラズマを噴出させるプラズマ装置を用いてなされる請求項6または7に記載の炭素膜の成膜方法。
an introduction section to which the raw material gas is supplied;
a generation section disposed downstream of the introduction section and having a first insulator, a first electrode, a second insulator and a second electrode stacked in order from the upstream side;
a communication hole that penetrates the first insulator, the first electrode, the second insulator, and the second electrode from the upstream side to the downstream side;
8. The method of forming a carbon film according to claim 6 or 7, wherein a plasma device is used to apply a voltage to the first electrode and the second electrode to eject plasma of the raw material gas from the communicating hole.
基材と、
基材表面を被覆する請求項1~5のいずれかに記載の炭素膜と、
を有する被覆部材。
a base material;
The carbon film according to any one of claims 1 to 5, which covers the substrate surface;
A covering member having a
燃料電池用セパレータである請求項9に記載の被覆部材。 10. The covering member according to claim 9, which is a fuel cell separator.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004352599A (en) 2003-05-30 2004-12-16 Toshio Goto Device and method for forming carbon nanotube
JP2012251209A (en) 2011-06-02 2012-12-20 Jx Nippon Mining & Metals Corp Copper foil for producing graphene, and method for producing graphene
JP2015151298A (en) 2014-02-14 2015-08-24 学校法人 名城大学 Carbon composite and method of producing the same
JP2016538690A (en) 2013-11-15 2016-12-08 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア Hybrid nanostructured materials and methods
JP2017066506A (en) 2015-10-02 2017-04-06 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Manufacturing method of graphene film
JP2017188241A (en) 2016-04-04 2017-10-12 株式会社不二越 Method for producing separator for solid polymer fuel cell

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004352599A (en) 2003-05-30 2004-12-16 Toshio Goto Device and method for forming carbon nanotube
JP2012251209A (en) 2011-06-02 2012-12-20 Jx Nippon Mining & Metals Corp Copper foil for producing graphene, and method for producing graphene
JP2016538690A (en) 2013-11-15 2016-12-08 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア Hybrid nanostructured materials and methods
JP2015151298A (en) 2014-02-14 2015-08-24 学校法人 名城大学 Carbon composite and method of producing the same
JP2017066506A (en) 2015-10-02 2017-04-06 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Manufacturing method of graphene film
JP2017188241A (en) 2016-04-04 2017-10-12 株式会社不二越 Method for producing separator for solid polymer fuel cell

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