KR100897323B1 - Method for coating thin film on material by Plasma-enhanced chemical vapor deposition and physical vapor deposition - Google Patents
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Abstract
본 발명은 PECVD법과 아크방전법을 접목하여 내식성과 전기전도도 특성을 확보할 수 있도록 한 플라즈마 화학기상증착과 물리기상증착을 복합한 박막 코팅방법 및 그 제품에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film coating method of a combination of plasma chemical vapor deposition and physical vapor deposition to ensure corrosion resistance and electrical conductivity properties by combining PECVD method and arc discharge method, and a product thereof.
이를 위해, 기재 표면을 활성화하고 잔류 유기물을 제거하기 위한 비활성가스를 챔버 내부에 투입하여 기재 표면을 전처리하고, 상기 챔버 내부에 아크방전을 유도하기 위한 반응가스를 투입하여 타겟의 아크방전을 수행하는 동시에 아크방전으로 유도된 타겟의 전자를 애노드에 포집하여 상기 반응가스의 분해를 촉진하며, 기재에 바이어스 전압을 인가하여 분해된 반응가스를 상기 기재 표면에 흡착시킴과 아울러, 이 과정에서 타겟으로부터 유입되는 금속이온을 함유시켜 기재에 전도성과 내식성의 박막을 형성시켜 기재에 박막을 코팅하는 것을 특징으로 한다.To this end, an inert gas for activating the substrate surface and removing residual organic matter is pretreated in the chamber to pretreat the substrate surface, and a reaction gas for inducing arc discharge is introduced into the chamber to perform arc discharge of the target. At the same time, the electrons of the target induced by arc discharge are collected on the anode to promote decomposition of the reaction gas, and the decomposed reaction gas is adsorbed on the surface of the substrate by applying a bias voltage to the substrate and inflow from the target in this process. Forming a thin film of conductive and corrosion-resistant on the substrate by containing a metal ion to be characterized in that the coating of the thin film on the substrate.
상기한 구성에 따라, 아크방전법과 PECVD법에 의해 기재에 박막을 코팅하므로 전기전도도와 내부식성을 향상시켜 연료전지 분리판 제품 제조에 탁월한 효과가 있고, 또한 기재 표면에 코팅되는 중간층을 통해 기재와 코팅층간의 밀착성을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.According to the above-described configuration, since the thin film is coated on the substrate by the arc discharge method and the PECVD method, the electrical conductivity and the corrosion resistance are improved, which is excellent in producing fuel cell separator products, and the substrate and the intermediate layer are coated on the substrate surface. There is also an effect that can improve the adhesion between the coating layer.
플라즈마 화학기상증착, 아크방전, 연료전지, 분리판, Me-C:H층. Plasma chemical vapor deposition, arc discharge, fuel cell, separator, Me-C: H layer.
Description
도 1은 일반적으로 사용되고 있는 흑연분리판을 예시한 사진,1 is a photograph illustrating a graphite separator that is generally used,
도 2는 일반적으로 사용되고 있는 금속분리판을 예시한 사진,Figure 2 is a photograph illustrating a metal separator plate that is generally used,
도 3은 본 출원인에 의해 선출원 발명된 플라즈마 화학기상증착에 사용되는 코팅장치를 개략적으로 도시한 모식도,Figure 3 is a schematic diagram schematically showing a coating apparatus used for the plasma chemical vapor deposition invented by the present applicant,
도 4는 도 3의 코팅장치를 통해 기재에 DLC층이 코팅된 구조를 개략적으로 도시한 사시도,4 is a perspective view schematically illustrating a structure in which a DLC layer is coated on a substrate through the coating apparatus of FIG. 3;
도 5는 본 발명에 의한 플라즈마 화학기상증착법과 아크방전법에 의해 기재에 박막을 코팅하는 코팅장치를 개략적으로 도시한 모식도,5 is a schematic diagram schematically showing a coating apparatus for coating a thin film on a substrate by the plasma chemical vapor deposition method and the arc discharge method according to the present invention;
도 6은 본 발명에 의한 코팅방법의 일실시예를 순차적으로 나열한 블록도,6 is a block diagram sequentially listing one embodiment of the coating method according to the present invention;
도 7은 도 6의 코팅방법을 통해 기재에 Me-C:H층이 코팅된 구조를 개략적으로 도시한 사시도,7 is a perspective view schematically illustrating a structure in which a Me-C: H layer is coated on a substrate through the coating method of FIG. 6;
도 8은 본 발명에 의한 코팅방법의 다른 일실시예를 순차적으로 나열한 블록도,8 is a block diagram sequentially listing another embodiment of the coating method according to the present invention;
도 9는 도 8의 코팅방법을 통해 기재에 중간층과 Me-C:H층이 코팅된 구조를 개략적으로 도시한 사시도,9 is a perspective view schematically showing a structure in which an intermediate layer and a Me-C: H layer are coated on a substrate through the coating method of FIG. 8;
도 10은 본 발명의 코팅방법을 이용한 코팅층과 PECVD법을 이용한 코팅층을 서로 비교한 결합구조 및 표면사진,10 is a bonding structure and the surface photograph comparing the coating layer using the coating method of the present invention and the coating layer using the PECVD method,
도 11a는 본 발명의 코팅방법을 통해 코팅되는 코팅층의 특성을 나타낸 표,Figure 11a is a table showing the characteristics of the coating layer coated through the coating method of the present invention,
도 11b는 본 발명에 의해 중간층을 형성한 코팅층과 중간층을 형성하지 않은 코팅층의 특성을 서로 비교한 표,Figure 11b is a table comparing the characteristics of the coating layer having the intermediate layer and the coating layer not forming the intermediate layer according to the present invention,
도 12는 본 발명에 의한 Me-C:H층이 형성된 제품의 표면 및 단면사진과 실제 응용한 제품 사진,12 is a surface and cross-sectional photograph of the product formed Me-C: H layer according to the present invention and the actual photograph of the product,
도 13은 본 발명에 의해 코팅된 코팅층과 PECVD법을 이용한 코팅층의 내부식 특성을 서로 비교한 그래프선도 및 표.13 is a graph diagram and a table comparing the corrosion resistance characteristics of the coating layer coated by the present invention and the coating layer using the PECVD method.
*도면중 주요 부호에 대한 설명** Description of Major Symbols in Drawings *
100 : 기재 110 : 기판100
200 : 중간층 300 : Me-C:H층200: intermediate layer 300: Me-C: H layer
400 : 챔버 410 : 진공펌프400: chamber 410: vacuum pump
420 : 가스 인입장치부 430 : 아크건420: gas inlet device 430: arc gun
435 : 차폐막 440 : 애노드435: shielding film 440: anode
P100 : 플라즈마 전처리공정 P200 : 아크방전공정P100: Plasma Pretreatment Process P200: Arc Discharge Process
P200' : 중간층 코팅공정 P300 : 코팅공정P200 ': Interlayer Coating Process P300: Coating Process
본 발명은 기재에 박막을 코팅하기 위한 방법 및 그 제품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)에 의한 DLC막에 아크방전을 이용한 코팅기술을 접목하여 내식성과 함께 높은 전기전도 특성을 확보할 수 있도록 한 플라즈마 화학기상증착과 물리기상증착을 복합한 박막 코팅방법 및 그 제품에 관한 것이다.The present invention relates to a method for coating a thin film on a substrate and a product thereof, and more particularly, by applying a coating technique using arc discharge to a DLC film by plasma chemical vapor deposition (PECVD), high electrical conductivity characteristics with corrosion resistance The present invention relates to a thin film coating method and a product, which are a combination of plasma chemical vapor deposition and physical vapor deposition.
일반적으로 연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 것으로, 최근 지구온난화 방지를 위한 CO2 배출규제와 화석연료의 대체 에너지원으로 집중 연구되고 있다.In general, a fuel cell converts chemical energy generated by oxidation of a fuel directly into electrical energy. Recently, research has been focused on CO 2 emission control and fossil fuel alternative energy to prevent global warming.
이러한, 연료전지의 부품 중 특히, 분리판은 막전극 집합체와 함께 연료전지의 중요 핵심부품으로 우수한 전지전도성 및 열전도성 그리고 가스밀폐성 및 내식특성이 요구되며, 제조에 있어서 낮은 공정단가와 소형화 및 경량화가 요구되는 품목 중 하나이다.In particular, among the fuel cell parts, the separator is an important core part of the fuel cell together with the membrane electrode assembly, which requires excellent cell conductivity, thermal conductivity, gas sealing property, and corrosion resistance, and has low process cost, miniaturization, and light weight in manufacturing. Is one of the required items.
이에, 기존의 분리판으로는 도 1에 도시된 바와 같이 흑연을 기계 가공하거나 흑연 및 복합재료의 성형으로 제조한 흑연분리판을 사용하였고, 전기전도성과 열전도성 및 화학적 안정성이 우수하여 최근까지 자동차 및 가정용 연료전지에 주로 이용되고 있는 실정에 있다.Thus, as a conventional separator, as shown in FIG. 1, a graphite separator manufactured by machining graphite or molding graphite and a composite material was used, and until recently, automobiles have excellent electric conductivity, thermal conductivity, and chemical stability. And it is in the situation that is mainly used for domestic fuel cells.
그러나, 상기한 흑연분리판 중 기계 가공에 의한 흑연분리판은 분리판을 기계 가공하여 제조하는 특성상 높은 제조단가가 문제시되는 단점이 있었다. 이에, 흑연/수지 복합재료의 압출/사출 성형을 통해 분리판 제조시 고비용이 소요되는 문제점을 일부 해소하기는 하였으나, 카본계를 포함하는 복합재료의 재질 특성으로 인해 분리판의 강도가 낮아지는 치명적인 문제점이 발생하였다.However, the graphite separation plate by machining of the graphite separation plate has a disadvantage in that a high manufacturing cost is a problem in the nature of manufacturing the separation plate by machining. Therefore, although some problems that require high cost in manufacturing the separator through extrusion / injection molding of the graphite / resin composite material are solved, it is fatal that the strength of the separator is lowered due to the material characteristics of the composite material including carbon. A problem occurred.
도 2는 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 금속분리판의 일례로, 우수한 강도와 연성을 가진 금속소재의 특성으로 인해 금속소재를 이용한 금속분리판의 개발이 활발하게 이루어지고 있는 실정에 있다. 특히, 낮은 제조단가와 낮은 수소투과율로 0.2mm 이하의 박판을 사용할 수 있는 장점이 있는 스테인레스 스틸과 티타늄합금을 이용한 금속분리판의 개발이 부각되고 있다. Figure 2 is an example of a metal separator for solving the problems described above, due to the characteristics of a metal material having excellent strength and ductility is in the situation that the development of a metal separator using a metal material is being actively made. In particular, the development of metal separators using stainless steel and titanium alloys, which has the advantage of using a thin plate of 0.2 mm or less with low manufacturing cost and low hydrogen transmittance, has been highlighted.
그러나, 상기한 금속분리판은 연료전지 반응에 의한 전지내부의 물과 전해질 내에 존재하는 SO3 -와 F-의 용해가 함께 진행되고, 연료전지 운전온도가 약 80℃의 높은 온도에서 작동됨으로써, 매우 심각한 부식환경을 만드는 폐단이 있다.However, in the metal separator, the dissolution of SO 3 − and F − present in the electrolyte and water in the battery by the fuel cell reaction proceeds together, and the fuel cell operation temperature is operated at a high temperature of about 80 ° C., There is a closure that creates a very corrosive environment.
더욱이, 부식에 의한 금속의 용해가 전해질을 오염시키고, 금속표면 부동태 피막의 지속적인 성장으로 피막이 부도체화되기 때문에 접촉저항의 증가로 연료전지의 성능을 저하시키는 요인이 되는 문제점도 발생하였다.In addition, since the dissolution of the metal due to corrosion contaminates the electrolyte and the coating is insulated due to the continuous growth of the passivation film on the metal surface, an increase in contact resistance also causes a problem of degrading the performance of the fuel cell.
이에, 금속분리판에 우수한 전기전도성과 내식성을 동시에 확보할 수 있는 코팅기술이 개발 및 적용되어 실시되고 있으며, 아래의 표 1에서는 금속분리판에 적용가능한 코팅물질의 예와, 그 코팅기술의 특징 및 단점 등을 기술하였다.Therefore, a coating technology for securing excellent electrical conductivity and corrosion resistance at the same time has been developed and applied to the metal separator plate. Table 1 below shows examples of coating materials applicable to the metal separator plate and the characteristics of the coating technology. And disadvantages.
즉, 코팅물질로는 귀금속, 금속화합물, 카본/그라파이트, 고분자 등이 적용되고, 이러한, 코팅물질의 증착 방법으로는 습식방법과 스퍼터링법에 의하여 대부분 실시되고 있다. 그러나, 귀금속은 고가인 단점이 있고, 금속화합물과 카본계 막은 양산성 확보가 어려운 문제점이 있으며, 고분자코팅은 탄소계 입자 분산의 어려움으로 인해 전도성이 저하되는 폐단이 있다.That is, as the coating material, noble metals, metal compounds, carbon / graphite, polymers, and the like are applied, and the coating material is deposited by a wet method and a sputtering method. However, precious metals have a disadvantage of being expensive, and metal compounds and carbon-based films have a problem that it is difficult to secure mass productivity, and polymer coating has a closed end due to difficulty in dispersing carbon-based particles.
한편, 도 3은 본 출원인이 2006. 9. 4자로 특허 출원한 특허 출원번호 제2006-84713호 "플라즈마 화학기상증착에 의한 박막 코팅방법 및 그 제품"에 대한 것으로, 기재(10) 표면을 활성화하고 잔류 유기물을 제거하기 위한 반응가스를 챔버(40) 내부에 투입하여 기재(10) 표면을 전처리하고, 상기 챔버(40) 내부에 DLC층(30)과의 밀착성 향상을 위한 반응가스를 투입하여 상기 기재(10) 표면에 중간층(20)을 코팅하며, 상기 챔버(40) 내부에 내식성과 이형성 및 윤활성 향상을 위한 반응가스를 투입하여 상기 중간층(20) 표면에 DLC(Diamond Like Carbon)층을 코팅한다.On the other hand, Figure 3 is a patent application No. 2006-84713 "Applicant's Patent Application No. 2006-84713" thin film coating method and the product by the plasma chemical vapor deposition, which the applicant filed on September 4, 2006, the surface of the
즉, 상기한 바와 같은 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)에 의해 금속소재 표면에 코팅되는 a-C:H(DLC, Diamond Like Carbon)층은 탄화수소가스를 사용하여 코팅막 내에 다량의 수소를 함유하고 있다. 이러한, DLC층은 금속화합물과 비교하여 연료전지 전해질에 존재하는 SO3 -와 F-에 대한 우수한 내식성을 갖으며, 또한 DLC층의 내산화온도가 400℃ 이하이므로 80℃의 온도에서 운전하는 연료전지에서도 화학적 안정성을 확보할 수 있게 된다.That is, aC: H (DLC, Diamond Like Carbon) layer coated on the surface of the metal material by the plasma chemical vapor deposition (PECVD) as described above contains a large amount of hydrogen in the coating film using a hydrocarbon gas. The DLC layer has excellent corrosion resistance to SO 3 − and F − present in the fuel cell electrolyte as compared to the metal compound, and the fuel operated at 80 ° C. because the oxidation temperature of the DLC layer is 400 ° C. or lower. Chemical stability can be ensured even in a battery.
그러나, SP3 및 SP2의 혼재와 탄소 클러스터간의 크로스링킹이 많아 DLC막의 전기적 특성이 절연체의 특성을 보이는 문제점이 있다.However, there are many crosslinkings between the mixture of SP 3 and SP 2 and the carbon clusters, so that the electrical characteristics of the DLC film show the characteristics of the insulator.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)에 의한 DLC층에 아크방전을 이용한 코팅기술을 접목하여 내식성과 함께 높은 전기전도 특성을 확보할 수 있도록 한 플라즈마 화학기상증착과 물리기상증착을 복합한 박막 코팅방법 및 그 제품을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, by applying a coating technology using arc discharge to the DLC layer by the plasma chemical vapor deposition (PECVD) to secure high electrical conductivity characteristics with corrosion resistance. It is to provide a thin film coating method and a product of a combination of plasma chemical vapor deposition and physical vapor deposition.
본 발명의 다른 목적은 금속소재의 전도성 및 내식성 향상을 위한 표면 코팅을 PECVD법과 아크방전법을 통해 간편하게 수행하므로, 저비용의 코팅공정을 가능하게 하고, 제품 대량 생산이 가능하도록 한 플라즈마 화학기상증착과 물리기상증착을 복합한 박막 코팅방법 및 그 제품을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to perform a surface coating to improve the conductivity and corrosion resistance of metal materials through PECVD method and arc discharge method, thereby enabling a low-cost coating process, and plasma chemical vapor deposition that enables mass production of products. It is to provide a thin film coating method and a product of the composite of physical vapor deposition.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 박막 코팅방법은, 기재 표면을 활성화하고 잔류 유기물을 제거하기 위한 비활성가스를 챔버 내부에 투입하여 기재 표면을 전처리하는 플라즈마 전처리공정과; 상기 챔버 내부에 아크방전을 유도하기 위한 반응가스를 투입하여 타겟의 아크방전을 수행하는 동시에 아크방전으로 유도된 타겟의 전자를 애노드에 포집하여 상기 반응가스의 분해를 촉진하는 아크방전공정과; 기재에 바이어스 전압을 인가하여 분해된 반응가스를 상기 기재 표면에 흡착시킴과 아울러, 이 과정에서 타겟으로부터 유입되는 금속이온을 함유시켜 기재에 전도성과 내식성의 박막을 형성시키는 코팅공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.The thin film coating method of the present invention for achieving the above object comprises a plasma pretreatment step of pretreating the substrate surface by injecting an inert gas into the chamber to activate the substrate surface and remove residual organic matter; An arc discharge step of injecting a reaction gas for inducing arc discharge into the chamber to perform arc discharge of the target and at the same time collecting electrons of the target induced by arc discharge on the anode to promote decomposition of the reaction gas; And applying a bias voltage to the substrate to adsorb the decomposed reaction gas on the surface of the substrate, and in the process, a coating process for forming a conductive and corrosion-resistant thin film on the substrate by containing metal ions flowing from the target. It is done.
한편, 본 발명의 박막 코팅방법에 의해 제조되는 박막 코팅기재는, 플라즈마 전처리에 의해 표면이 활성화되고 잔류 유기물이 제거된 기재와; 상기 기재 표면에 전도성 및 내식성 향상을 위해 타겟을 이용한 아크방전법과 반응가스를 이용한 화학기상증착법으로 코팅한 Me-C:H층을 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the thin film coating substrate produced by the thin film coating method of the present invention, the surface is activated by the plasma pre-treatment and the residual organic material is removed; Me-C: H layer coated on the surface of the substrate by the chemical vapor deposition method using the arc discharge method and the reaction gas using a target to improve the conductivity and corrosion resistance.
또한, 본 발명의 박막 코팅방법에 의해 제조되는 다른 박막 코팅기재는, 플라즈마 전처리에 의해 표면이 활성화되고 잔류 유기물이 제거된 기재와; 상기 기재 표면에 전도성 및 Me-C:H층과의 밀착성 향상을 위해 타겟을 이용한 아크방전법으로 코팅한 중간층과; 상기 중간층 표면에 전도성 및 내식성 향상을 위해 타겟을 이용한 아크방전법과 반응가스를 이용한 화학기상증착법으로 코팅한 Me-C:H층을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, another thin film coating substrate produced by the thin film coating method of the present invention includes a substrate on which the surface is activated by the plasma pretreatment and residual organics are removed; An intermediate layer coated on the surface of the substrate by an arc discharge method using a target to improve conductivity and adhesion to a Me-C: H layer; Me-C: H layer coated on the surface of the intermediate layer by the chemical vapor deposition method using the arc discharge method and the reaction gas using a target to improve the conductivity and corrosion resistance.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 플라즈마 화학기상증착과 물리기상증착을 복합한 박막 코팅방법 은, 플라즈마 전처리공정(P100)과, 아크방전공정(P200)과, 코팅공정(P300)으로 이루어진다.The thin film coating method combining the plasma chemical vapor deposition and the physical vapor deposition of the present invention comprises a plasma pretreatment step (P100), an arc discharge step (P200), and a coating step (P300).
먼저 플라즈마 전처리공정(P100)에서는 기재(100) 표면을 활성화하고 잔류 유기물을 제거하기 위한 반응가스를 챔버(400) 내부에 투입하여 기재(100) 표면을 전처리하게 된다.First, in the plasma pretreatment process (P100), the reaction gas for activating the surface of the
도 5 내지 도 7을 통해 보다 상세하게 설명하면, 챔버(400) 내부에 기재(100)를 장입한 후, 진공펌프(410)를 이용하여 챔버(400) 내부의 압력을 10-5 Torr 이하의 진공 상태로 유지시키고, 가스 인입장치부(420)를 통해 상기 챔버(400) 내부에 비활성가스인 Ar과, H2를 투입한다. 여기서, 상기 반응가스로 Ar과 H2와 함께 N2를 더 첨가하여 기재(100) 표면을 전처리할 수 있고, 또한 경우에 따라서는 N2 또는 He을 사용하여 플라즈마 전처리를 수행할 수도 있다.5 to 7, after loading the
그리고, 상기 기재(100)에는 전원장치를 통해 펄스형 바이어스 전압을 인가하여 플라즈마를 생성 유지함으로써, 상기 플라즈마 내에서 화학적 반응을 일으켜 기재(100) 표면을 활성화(에칭)하는 동시에 유기세정에 의해 처리하지 못한 기재(100) 표면의 잔류 유기물을 제거(크리닝)하게 된다.In addition, by generating and maintaining a plasma by applying a pulsed bias voltage to the
또한, 상기 기재(100) 표면을 전처리하기 위한 다른 방법으로 타겟의 아크방전을 통해 방전되는 방전입자 중 금속이온을 기재(100) 표면에 도달시켜 전처리할 수도 있다.In addition, as another method for pretreating the surface of the
아크방전공정(P200)에서는, 챔버(400) 내부에 아크방전을 유도하기 위한 반 응가스를 투입하여 타겟의 아크방전을 수행하는 동시에 아크방전으로 유도된 타겟의 전자를 애노드(440)에 포집하여 상기 반응가스의 분해를 촉진한다.In the arc discharge process (P200), a reaction gas for inducing arc discharge is introduced into the
상기 아크방전공정(P200)에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 챔버(400) 내부에 탄소화합물과 같은 반응가스를 투입한다. 그리고, 아크건(430)에 음극전원을 인가하여 아크건(430)에 설치된 타겟을 아크방전시켜 전자를 인출하는 동시에 애노드(440)에 양극전원을 인가하여 아크방전으로 유도된 타겟의 전자를 애노드(440)에 포집한다. 이때, 상기 챔버(400) 내부로 전자를 계속해서 방출시켜 전자밀도 및 전자온도를 향상시키고, 이에 따라 챔버(400) 내부에서 상기 탄소화합물의 분해를 촉진시킬 수 있게 된다.In more detail with respect to the arc discharge process (P200), a reaction gas such as a carbon compound is introduced into the
여기서, 상기 탄소화합물로는 프로판(C3H8), 아세틸렌(C2H2), 메탄(CH4) 과 같은 반응가스가 사용되는 것이 적절하고, 상기한 반응가스 이 외에 탄화수소를 포함한 다른 가스가 사용될 수 있음은 본 발명을 구성함에 있어 자명한 사항에 해당된다.Here, as the carbon compound, a reaction gas such as propane (C 3 H 8 ), acetylene (C 2 H 2 ), methane (CH 4 ) may be used, and in addition to the above-described reaction gas, other gases including hydrocarbons may be used. It can be used that corresponds to the obvious matters in the configuration of the present invention.
그리고, 상기 아크방전에 사용되는 타겟은 전이금속류 중 어느 하나가 사용될 수 있으나, Ti을 사용하는 것이 적절하다. 또한, 상기 아크방전공정(P200)을 통해 분해되는 반응가스는 탄소화합물이 사용되는 특성상 중성 탄화수소와 탄소이온으로 나뉘어진다.The target used for the arc discharge may be any one of transition metals, but it is appropriate to use Ti. In addition, the reaction gas decomposed through the arc discharge process (P200) is divided into neutral hydrocarbons and carbon ions due to the nature of the carbon compound used.
계속해서, 코팅공정(P300)에서는 기재(100)에 바이어스 전압을 인가하여 분해된 탄화수소와 탄소이온을 상기 기재(100) 표면에 흡착시킴과 아울러, 이 과정에 서 타겟으로부터 유입되는 금속이온을 기재(100) 표면에 함유시켜 기재(100)에 전도성과 내식성의 박막을 형성한다. Subsequently, in the coating process P300, a decomposed hydrocarbon and carbon ions are applied to the
이때, 전술한 아크방전공정(P200)과 코팅공정(P300) 중에는 기판(110)을 회전시키게 됨으로써, 기재(100)에 코팅되는 막의 균일성을 확보하도록 한다. 이와 같은, 코팅공정(P300)을 통해 기재(100) 표면에는 Me-C:H층(300)이 형성된다. 그리고, 상기 기재(100)에 인가되는 바이어스 전위를 증가시켜 상기 Me-C:H층(300)의 전기전도도를 향상시킬 수 있게 된다.In this case, the
한편, 본 발명의 플라즈마 전처리 공정 이 후, 아크방전공정(P200) 실시 이 전에, 기재(100)와 박막의 밀착성을 향상시키고 최종 박막의 전도성을 향상시키기 위해 기재(100) 표면에 아크방전법을 통해 중간층(200)을 형성하는 중간층 코팅공정(P200')을 포함할 수 있다.Meanwhile, after the plasma pretreatment process of the present invention and before the arc discharge process (P200), the arc discharge method is applied to the surface of the
도 5 및 도 8, 도 9를 통해 상기한 중간층 코팅공정(P200')의 일실시예에 대한 방법을 설명하면, 기재(100) 표면의 전처리 이 후, 아크건(430)에 Ti을 설치하고, 상기 아크건(430)에 아크전원을 인가하여 아크방전시켜 상기 기재(100) 표면에 Ti을 함유한 중간층(200)을 코팅한다.Referring to the method for an embodiment of the above-described intermediate layer coating process (P200 ') through Figures 5 and 8, 9, after the pre-treatment of the surface of the
또한, 상기한 중간층 코팅공정(P200')의 다른 일실시예에 대한 방법을 설명하면, 기재(100) 표면의 전처리 이 후, 아크건(430)에 Cr을 설치하고, 상기 아크건(430)에 아크전원을 인가하여 아크방전시켜 상기 기재(100) 표면에 Cr을 함유한 중간층(200)을 코팅한다.In addition, the method for another embodiment of the intermediate layer coating process (P200 ') described above, after pretreatment of the surface of the
여기서, 상기 중간층(200) 코팅을 위해 사용되는 금속재질로 본 발명에서 Ti, Cr을 예시하였으나, 이에 한정되는 것이 아니고 밀착성 향상에 적합한 금속물질이라면 본 발명에 중간층(200) 형성에 적용 가능한 것이다.Here, although Ti and Cr are exemplified in the present invention as the metal material used for coating the
한편, 전술한 바와 같은 플라즈마 화학기상증착과 물리기상증착을 복합한 박막 코팅방법에 의해 코팅되는 코팅기재의 바람직한 일실시예로는 기재(100) 표면에 Me-C:H층(300)이 증착 구성된다.On the other hand, a preferred embodiment of the coating substrate is coated by a thin film coating method that is a combination of the plasma chemical vapor deposition and physical vapor deposition as described above, the Me-C:
도 7을 통해 설명하면, 본 발명의 기재(100)는 대표적으로 연료전지에 사용되는 연료전지 분리판 등에 적용되는 것으로, 연료전지의 금속소재로 활용할 수 있는 스테인리스 스틸, 티타늄 합금, 알루미늄 합금 등과 같이 경량화 및 제조단가를 낮출 수 있는 소재로 적용된다.Referring to Figure 7, the
이러한, 상기 기재(100)는 플라즈마 전처리에 의해 표면이 활성화되어 소정의 식각 깊이가 조성되고, 잔류 유기물이 제거된 상태가 된다. 그리고, 상기 기재(100) 표면에는 타겟을 이용한 아크방전법과 반응가스를 이용한 화학기상증착법으로 Me-C:H층(300)을 코팅하여 내식성과 함께 전도성을 향상시킨다.The
계속해서, 본 발명의 코팅기재의 다른 일실시예로는 기재(100) 표면에 중간층(200)이 코팅되고, 상기 중간층(200) 표면에 Me-C:H층(300)이 증착 구성된다.Subsequently, in another embodiment of the coating substrate of the present invention, the
도 9를 통해 설명하면, 상기 기재(100)는 플라즈마 전처리에 의해 표면이 활성화되어 소정의 식각 깊이가 조성되고, 잔류 유기물이 제거된 상태가 된다. 그리고, 상기 기재(100) 표면에는 타겟을 이용한 아크방전법으로 중간층(200)을 코팅하여 기재(100)의 전도성을 향상시킴과 아울러 Me-C:H층(300)과의 밀착성을 향상시킨다. 그리고, 상기 중간층(200) 표면에는 타겟을 이용한 아크방전법과 반응가스를 이용한 화학기상증착법으로 Me-C:H층(300)을 코팅하여 내식성과 함께 전도성을 향상시킨다.Referring to FIG. 9, the surface of the
상기와 같이 기재(100)에 Me-C:H층(300)을 코팅하기 위해 사용되는 코팅장치는 도 5에 도시한 바와 같은 바, 이에 대한 구성을 간단하게 살펴보면 챔버(400) 상단 일부에 내부와 관통되어 비활성가스 및 반응가스를 투입하는 가스 인입장치부(420)가 설치되고, 상기 챔버(400) 하단 중앙에는 기판(110)이 설치되며, 상기 기판(110) 상면에는 코팅 처리하고자 하는 기재(100)가 올려지고, 상기 챔버(400) 하단 일부에는 진공펌프(410)가 설치된다.As described above, the coating apparatus used to coat the Me-C:
그리고, 상기 챔버(400) 일측에는 아크방전을 위한 아크장치가 설치되고, 상기 챔버(400) 타측에는 전자 포집을 위한 애노드장치가 설치되며, 상기 아크장치와 기재(100) 사이에는 차폐막(435)이 설치된다. 여기서, 상기 차폐막(435)은 챔버(400) 상단 중앙에 고정되어 상, 하로 이송되거나, 좌, 우로 회전 가능하게 구성된다.In addition, an arc device for arc discharge is installed at one side of the
또한, 상기 아크장치의 아크건(430)과 애노드장치의 애노드(440)에 전력을 공급하는 전원장치가 각각 연결 설치되고, 상기 기판(110)에 바이어스 전력을 인가하는 전원장치가 연결 설치된다.In addition, a power supply device for supplying power to the
이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation and effect of the present invention configured as described in detail as follows.
본 발명의 플라즈마 화학기상증착과 물리기상증착을 복합한 박막 코팅방법을 이용하여 연료전지 부품 중 연료전지 분리판과 같은 기재(100)에 Me-C:H층(300)을 코팅하기 위해서는, 먼저 챔버(400) 내부에 플라즈마 전처리를 위한 반응가스를 투입하여 기재(100) 표면을 활성화(에칭)시키고, 세정(유기세정)에 의해 처리하지 못한 기재(100) 표면의 잔류 유기물을 제거한다.In order to coat the Me-C:
상기한 전처리 이 후, 상기 챔버(400) 내부에 아크방전을 위한 반응가스를 투입하여 아크방전을 유도한다. 이때, 아크방전이 이루어지는 아크건(430)과 기재(100) 사이에는 플라즈마 차폐막(435)이 설치되므로, 아크방전에 의해 방전되어 인출되는 방전입자가 기재(100)에 도달하지 못하도록 하는 것이 적절하나, 경우에 따라 상기 플라즈마 차폐막(435)을 개방한 상태로 아크방전을 수행할 수도 있다.After the pretreatment, a reaction gas for arc discharge is introduced into the
다만, 차폐막(435)을 폐쇄한 상태라 하더라도 아크방전에 의해 방전되는 방전입자 중 이온의 경우 부분적으로 차폐막(435)을 넘어 기재(100)에 도달할 수 있으므로, 상기한 특성을 통해 플라즈마 전처리 대신 세정의 다른 방법으로 아크방전을 실시할 수 있다.However, even when the
계속해서, 전도성 및 내식성 향상을 위한 전술한 아크방전이 개시되면, 반대편의 애노드(440)에 전류를 인가하여 아크방전으로 유도된 전자를 포집하게 된다. 이때, 애노드(440) 지역에서 전자의 포집이 이루어지면 전기적으로 중성상태인 플라즈마 상태를 유지하기 위해 아크소스로부터 반응기의 기상으로 전자의 유입이 계속 이루어지게 된다. 이렇게 유입된 전자에 의해 기존의 단일 아크방전법이나 PECVD법에 비하여 매우 높은 전자밀도 및 전자온도를 유지할 수 있어 챔버(400) 내부에서 반응가스인 탄화수소류의 분해를 촉진할 수 있다.Subsequently, when the above-described arc discharge is started to improve conductivity and corrosion resistance, current is applied to the
이 후, 피처리물에 음의 전압인 바이어스를 인가하게 되면 분해된 중성 탄화 수소(라디칼)와 탄소이온의 흡착으로 막이 형성되며, 막이 형성되는 과정에서 기상으로부터 이온화된 비활성기체의 이온충격으로 탄소의 클러스터링이 억제되어 나노화된 그라파이트 클러스터를 형성하게 되고, 바이어스에 의한 아크소스로부터 유입되는 금속이온의 충격과 피막내의 함유를 통해 기재(100) 표면에 Me-C:H층(300)이 형성된다.Subsequently, when a negative voltage bias is applied to the workpiece, a film is formed by adsorption of decomposed neutral hydrocarbons (radicals) and carbon ions, and carbon is formed by ion bombardment of an inert gas ionized from the gas phase in the process of forming the film. The clustering of is suppressed to form nanonized graphite clusters, and the Me-C:
이처럼, 금속이 함유되고 나노화된 그라파이트 막은 탄소 클러스터간의 크로스링킹의 억제와 금속함유 특성를 통하여 절연막에서 전도성 막으로 합성되어 지고, 아크소스에 의한 금속이온의 충돌과 탄소이온 등에 의하여 밀착력이 우수한 막이 형성된다.As such, the metal-containing and nanonized graphite film is synthesized from the insulating film into a conductive film through the suppression of crosslinking between carbon clusters and metal-containing properties, and a film having excellent adhesion due to collision of metal ions by an arc source and carbon ions is formed. .
다만, 상기와 같은 Me-C:H층(300)의 코팅 이 전에 중간층(200)을 더 형성하여, 기재(100)와 Me-C:H층(300) 사이의 보다 우수한 밀착력을 기대할 수 있고, 중간층(200)의 코팅을 통해 전기전도도 역시 더욱 향상시킬 수 있다.However, by forming the
도 10은 기존의 PECVD법에 의한 DLC층과 본 발명의 코팅방법에 의한 Me-C:H층(300)의 내부 탄소결합구조를 Raman 분석법을 통해 비교한 것으로, 본 발명은 Ti을 아크방전 타겟으로 하여 실험을 실시하였다.10 is a comparison of the internal carbon bond structure of the DLC layer by the conventional PECVD method and the Me-C:
이 결과, 본 발명의 Me-C:H층(300)과 기존의 DLC층은 그 탄소 결합구조가 확연히 달라지는 것을 확인할 수 있는 바, 이에 대해 보다 구체적으로 설명하면 본 발명의 Me-C:H층(300)과 기존의 DLC층의 구조에서는 각각 D피크와 G피크가 나타나는데 기존의 DLC층의 경우 G피크가 우세하고 D피크가 다소 약하게 나타난다.As a result, the Me-C:
여기서, G(Graphite)피크는 "탄소고리를 갖는 흑연구조" 로서 막 내부에 흑 연구조의 탄소결합이 있다는 증거이고, D(Disorder)피크는 "완성되지 않은 탄소고리 및 부분적으로 끊어진 탄소결합" 으로서 탄소고리가 미완성된 결합상태를 의미하는 것으로써, 이들의 세기와 위치에 따라서 탄소결합상태를 알 수 있게 된다.Here, G (Graphite) peak is the "graphite structure with carbon ring" is evidence that there is a carbon bond of the black research tank inside the film, D (Disorder) peak is "incomplete carbon ring and partially broken carbon bond" As the carbon ring means an unfinished bonding state, the carbon bonding state can be known according to their strength and position.
이에, 상기한 실험결과를 살펴보면, 본 발명의 Me-C:H층(300) 구조에서는 G피크의 장파장으로의 위치이동을 통해 탄소결합의 흑연화 및 클러스터의 증가를 확인할 수 있고, D피크의 세기의 증가와 세기의 비의 증가를 통해 미완성 탄소고리의 증가와 탄소클러스터의 증가를 확인할 수 있다.Thus, looking at the above experimental results, in the structure of the Me-C:
따라서, 본 발명을 통해 성막된 Me-C:H층(300)의 구조는 일반 DLC층보다 좀더 흑연화되고 있다는 것을 표면사진을 통해 알 수 있고, 매우 미세한 탄소클러스터들의 집합을 이루는 형태로 성장되어 기존의 DLC층보다 더욱 평활하고 미려한 막이 형성됨을 확인할 수 있는 것이다.Therefore, it can be seen from the surface photograph that the structure of the Me-C:
그리고, 부가적으로 본 발명의 코팅공정(P300)에서는 아크소스의 전류에 대비하여 보다 낮은 애노드 전류를 인가함으로써, 기재(100)에 Me-C:H층(300)을 형성할 수 있었는데, 전자포집을 위한 애노드 전류의 증가를 통해 전기전도도를 점차적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다.In addition, in the coating process (P300) of the present invention, by applying a lower anode current compared to the current of the arc source, it was possible to form the Me-C:
도 11a는 Ti을 함유한 Me-C:H층(300)의 특성과 전기전도도와의 관계를 설명하기 위한 실험결과이고, 도 11b는 중간층(200) 형성에 따른 Me-C:H층(300)의 특성과 전기전도도와의 관계를 설명하기 위한 실험결과이다.11A is an experimental result for explaining the relationship between the properties of the Me-C:
상기한 실험결과를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 Me-C:H층(300)은 PECVD법에 의한 DLC층과 비교하여 우수한 전기전도도를 나타냄을 확인할 수 있고, 특히 스 테인리스와 같은 금속판에 Me-C:H층(300)을 코팅하는 경우 면저항값이 거의 7mΩ/㎠로 측정되어 전기전도도가 매우 우수하게 나타남을 확인할 수 있으며, 또 중간층(200)을 형성한 Me-C:H층(300)과 중간층(200)을 형성하지 않은 Me-C:H층(300)을 비교하였을 때, 중간층(200)을 형성한 Me-C:H층(300)이 더욱 우수한 밀착력과 전기전도도를 갖게 됨을 확인할 수 있다.As can be seen from the above experimental results, it can be seen that the Me-C:
도 12는 상기한 바와 같은 Me-C:H층(300)을 성막한 실리콘 및 스테인리스 판의 표면과 단면사진으로써, 추가적으로 금속판에 합성한 실제사진을 함께 첨부하였다.12 is a cross-sectional photograph of the surface of the silicon and stainless steel plate on which the Me-C:
도 13은 기재(100)에 코팅된 Me-C:H층(300)의 내부식 특성을 확인하기 위한 실험결과로써, 기존의 PECVD법에 의한 DLC층 코팅보다 더욱 우수한 내부식 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.13 is an experimental result for confirming the corrosion resistance characteristics of the Me-C:
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.On the other hand, the present invention has been described in detail only with respect to the specific examples described above it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical scope of the present invention, it is natural that such variations and modifications belong to the appended claims. .
이상에서와 같이 본 발명은 플라즈마 전처리를 실시한 기재 표면에 아크방전법과 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)에 의해 Me-C:H층을 코팅하여 기재의 전기전도도와 내부식성을 가일층 향상시킬 수 있게 된다. 따라서, 연료전지 분리판과 같이 우수한 전기전도도와 내부식성을 필요로 하는 부품에 최적의 코팅방법으로 사용 되어 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention can further improve the electrical conductivity and corrosion resistance of the substrate by coating the Me-C: H layer on the surface of the substrate subjected to plasma pretreatment by arc discharge and plasma chemical vapor deposition (PECVD). Therefore, it is used as an optimal coating method for parts requiring excellent electrical conductivity and corrosion resistance, such as a fuel cell separator, thereby improving the performance of the fuel cell.
더욱이, 기재 표면에 Me-C:H층을 코팅하기에 앞서, 밀착력 향상을 위한 중간층을 코팅함으로써, 전기전도도 뿐만 아니라 기재와 Me-C:H층과의 밀착성 역시 향상시키게 된다. 따라서, 기재 표면에 Me-C:H층을 보다 견고하게 코팅할 수 있어 코팅층의 박리를 원천적으로 차단할 수 있는 효과도 있다.Furthermore, prior to coating the Me-C: H layer on the surface of the substrate, by coating an intermediate layer for improving adhesion, not only the electrical conductivity but also the adhesion between the substrate and the Me-C: H layer are improved. Therefore, the Me-C: H layer can be more firmly coated on the surface of the base material, which also has the effect of blocking the peeling of the coating layer.
또한, 상기와 같이 아크방전법과 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 접목하여 연료전지 분리판과 같은 기재에 Me-C:H층을 간편하게 코팅하므로, 기존의 스퍼터링 공정과 같은 코팅공정보다 더욱 많은 기재를 장입하여 한번에 코팅이 이루어지게 된다. 따라서, 단위 시간당 코팅 제조되는 부품의 수를 증가시켜 제품 양산화를 실현할 수 있고, 이와 같은 제품 양산화를 통해 제품 제조공정의 약 95% 이상을 차지하는 코팅비용을 절감시켜 제품의 가격경쟁력을 확보하여 제품 구매력을 증진시킬 수 있는 효과도 있다.In addition, since the Me-C: H layer is easily coated on a substrate such as a fuel cell separator by combining the arc discharge method and the plasma chemical vapor deposition method (PECVD) as described above, more substrates are used than the conventional coating process such as the sputtering process. Charging and coating are done in one step. Therefore, mass production of the product can be realized by increasing the number of parts manufactured by coating per unit time, and through this mass production of products, the cost of coating can be reduced by accounting for more than 95% of the manufacturing process. There is also an effect that can promote.
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