KR101102905B1 - 신뢰할 수 있는 연료 전지 전극 설계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일반적으로 개선된 수명, 더 낮은 생산 비용 및 개선된 프로세스 성능을 가지는 다양한 연료 전지 성분들을 형성하는 방법 및 연료 전지의 생성에 관한 것이다. 본 발명은 일반적으로 기판에 대한 양호한 접착, 낮은 전기 저항(높은 전도성) 및 연료 전지의 동작 중에 화학적 공격에 대한 양호한 저항성을 갖는 물질 층 또는 층들을 증착함으로써 기판 표면을 처리(treating) 또는 컨디셔닝(conditioning)하는 것을 포함한다. 기판은, 그중에서도 예를 들어, 연료 전지 부품, 전도성 플레이트, 분리 플레이트, 바이폴라 플레이트, 또는 단부 플레이트일 수 있다. 일 실시예에서, 기판 표면은 그 표면의 일부를 루테늄 테트록사이드를 포함하는 가스 또는 액체에 노출시킴으로써 처리 또는 컨디셔닝된다.

Description

신뢰할 수 있는 연료 전지 전극 설계{RELIABLE FUEL CELL ELECTRODE DESIGN}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 박막의 증착에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 기판 표면상에 박막을 증착하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
환경 친화적인 에너지 소스의 개발은 전력 및 전기의 발생에 관한 다양한 산업에서 최근 상당한 관심을 얻어 왔다. 다양한 형태의 연료 전지들은, 가령 휴대용 전자제품, 휴대폰, 무선 디바이스, PDA, 카메라, 휴대용 플레이어, 컴퓨터 노트북, 이동 차량(예, 차, 트럭, 기차 등), 고정된 대형 에너지 설비, 주거용 전기 등과 같은 다수의 어플리케이션들을 위한 전기를 직접 생산하기 위해 이용될 수 있다. 반도체 기계가공(machining) 기술이 연료 전지 제조에 쉽게 이용될 수 있기 때문에, 연료 전지에 의한 전기의 효율적인 생산이 가능할 것 같다.
연료 전지는 전기를 생산하기 위하여 기체 또는 액체 연료가 산화제(oxidant)와 반응하는 전기화학 소자이다. 일반적으로, 전해질이 연료 전지 유닛을 형성하도록 두 전극들, 애노드 및 캐소드에 의해 샌드위치된다. 순수한 수소 또는 탄화수소에 의해 개질된 수소와 같은 연료가 양성자 및 전자로 산화되도록 애노드로 보내진다. 공기 또는 산소와 같은 산화제는 캐소드로 흘려보내져서, 전해질을 통해 그리고, 일부 경우에는, 양성자-투과가능한 멤브레인을 통해 통과한 양성자와 반응한다. 발생된 전자들은 애노드로부터 캐소드로 흘려보내지며, 여기서 전자들은 양성자 및 산화제로 재결합되어, 열 및 물과 같은 부산물을 발생시킨다. 따라서, 발생된 전자들의 흐름은 외부 디바이스들을 구동하기 위하여 전력을 전달하는 전류를 생성한다. 각각의 연료 전지 유닛은 연료 전지 스택 또는 모듈을 형성하도록 서로 적층되거나 배열된다. 다수의 모듈들 또는 연료 전지스택들이 파일링(pile)되고, 전기 단자들, 전기 절연체들 및 단부 플레이트(end plate)들이 전기를 집합적으로 생성하도록 모듈들의 파일(pile)의 대향 단부들에 배치된다. 연료 전지의 본질은 일반적으로 간단하며, 상당히 신뢰할 수 있고 오래 지속하는 전기/에너지 발생 어플리케이션에 이르게 된다.
일반적으로, 연료 전지 스택은 각각의 연료 전지를 분리하기 위하여 연료 전지 스택내에 있는 인접한 연료 전지들 사이에 배치된 다수의 전도성 플레이트들을 사용한다. 전도성 플레이트들은 통상 임의의 연료 가스, 산화제 또는 유체를 연료 전지를 통해 보내거나 이동시키기 위한 유동 채널들 또는 그루브들을 합체하고 있다. 전도성 플레이트들은 금속들, 고농도로 도핑된 반도체들, 또는 전도성 중합체들, 가령 탄소 충진된 복합제로 제조될 수 있다. 각각의 전도성 플레이트는 연료 가스들 또는 산화제 가스들을 흘려보내기 위한 한쪽 측부(one side)를 포함한다. 연료 전지 스택내의 인접한 연료 전지들 사이에 배치된 전도성 플레이트들은 일반적으로 바이폴라 플레이트(bipolar plate) 또는 분리 플레이트(separator plate)이라 불리고 연료 전지 스택의 양 단부에 배치된 전도성 플레이트들은 또한 단부 플레이트라고 불린다. 유니폴라 플레이트(unipolar plate) 구조에 있어서, 전도성 플레이트의 다른 측부(the other side)는 일반적으로 냉각 채널들 또는 도관들을 포함하며, 이들은 연료 전지 스택에 있는 인접한 연료 전지로부터의 냉각 채널들과 짝지워져서 애노드 및/또는 캐소드에서의 화학적 반응들로부터 생성된 열과 물을 연료 전지 스택에서 멀리 이동시키기 위하여 냉각제들을 흘려보내기 위한 내부 실린더형 경로를 갖는 짝을 이룬 전도성 플레이트를 형성한다. 따라서, 유니폴라 플레이트 구조에서, 짝을 이룬 전도성 플레이트들은 하나의 연료 전지에 대한 애노드로 기능하는 한쪽 측부와 인접한 연료 전지에 대하여 캐소드로 작용하는 다른 측부를 포함하므로, 서로 짝을 이룬 두 개의 유니폴라 플레이트들은 바이폴라 플레이트로 작용한다.
전해질은 애노드로부터 캐소드로 양성자들을 운반하기 위하여 연료 전지에서 주된 역할을 한다. 전해질은 다양한 유형의 유기 및 무기 케미컬들(chemicals)을 포함하며, 따라서 사용된 케미컬들의 유형에 따라서 다른 형태의 연료 전지들이 형성된다. 연료 전지들 중 한 가지 유형은 인산 및 상승된 온도(가령, 150℃ 내지 200℃)를 이용하는 인산 연료 전지들(PAFC)이다. 연료 전지들 중 다른 유형은 그중에서도 고체 산화물 연료 전지(SOFC), 용융 탄산염 연료 전지(MCFC), 직접 메탄올 연료 전지(DMFC), 중합체 전해질 멤브레인 연료 전지(PEMFC), 알카라인 연료 전지(AFC)를 포함한다.
연료 전지 중 한 유형은 양성자를 투과시키지만 가스들 또는 전자들을 투과시키지 않는 양성자 교환 멤브레인을 이용한다. 이러한 구조에서, 전형적인 양성 자 교환 멤브레인은 상이한 촉매들로 코팅된 대향하는 측부들상에 표면들을 가질 것이며, 이는 애노드와 캐소드에서 상이한 화학적 반응을 가속시킨다. 멤브레인은 한 쪽 측부(가령, 애노드 측)에서 수소와 접촉하고 다른 측부(가령, 캐소드 측)에서 산화제와 접촉하도록 두 개의 미공성 전도층(이는 가스 확산층 및 전류 수집기로 기능함)에 의해 샌드위치되어 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 형성한다. PAFC 유형 연료 전지는 전해질을 지지하는 양성자 교환 멤브레인 또는 다공성 구조를 이용할 수 있다.
MEA는 양성자만이 애노드와 캐소드 사이를 지나가도록 허용해야 한다. 만약 자유 전자들 또는 다른 물질들이 MEA를 통해 이동한다면, 이들은 화학적 반응들을 붕괴시키며 전류의 회로 부분을 단락시킬 것이다. 또한, 연료 전지가 높은 전기 출력 및 신뢰성을 가지고 적절히 동작하기 위하여, 가스 및 유체들이 다양한 동작 조건들 하에서 연료 전지 내부에 있는 부품들, 채널들, 도관들, 통로들, 그루브들 및/또는 홀들(hole)의 표면을 통해 이동되어야 한다. 이처럼, 모든 연료 전지 부품들의 표면 특성들은 이러한 이동을 용이하게 하고 가능하게 하기 위하여 조정되어야 한다. 또한, 연료 전지 스택 또는 모듈의 다양한 부품들은 연료 전지 스택내에 존재하는 전해질, 전류 또는 임의의 가스, 유체와 양호한 접촉을 갖는 표면을 제공해야 한다.
연료 전지들을 에너지 시장에서 보다 실용적인 제품으로 만들기 위해서는, 연료 전지의 수명을 증가시키고, 연료 전지를 생산하기 위한 단가를 감소시키고, 연료 형성된 전지 디바이스의 효율을 향상시키는 것이 중요하다. 연료 전지 스택내의 전도성 플레이트들 및 단부 플레이트들 모두에 관하여 발생하는 한 가지 문제는 이들이 대부분의 연료 전지 어플리케이션들에서 전해질내의 요소들에 의해 부식 공격을 받는다는 것이다. 예를 들어, 인산 연료 전지(PAFC)에서, 고온 및 산성 환경의 존재는 전도성 플레이트들 및 단부 플레이트들을 공격 및 부식에 상당히 영향받기 쉽게 만든다.
따라서, 개선된 수명 및 감소된 생산 비용을 갖는 전도성 플레이트들 및 단부 플레이트들을 형성하기 위한 방법 및 장치에 대한 필요성이 여전히 존재한다. 또한, 향상된 효율을 갖는 연료 전지에 대한 필요성도 존재한다.
본원의 실시예들은 일반적으로, 조립된 연료 전지내에 유체 채널의 일부를 형성하도록 구성된 표면을 가진 기판, 및 상기 기판의 표면 상부에 배치된 루테늄 함유 코팅 - 상기 루테늄 코팅은 연료 전지의 동작 중에 표면의 부식을 방지하도록 적응됨 -을 포함하는 연료 전지용 전극을 제공한다.
본원의 실시예들은, 멤브레인을 포함하는 멤브레인 전극 어셈블리, 및 그 하나 이상의 표면들에 물질층을 갖는 하나 이상의 전도성 플레이트를 포함하는 연료 전지를 더 제공하는데, 상기 하나 이상의 전도성 플레이트들의 하나 이상의 표면들은 상기 하나 이상의 전도성 플레이트들의 하나 이상의 표면의 일부에 배치된 코팅을 가지며, 상기 코팅은 기판의 표면 상부에 배치된 제 1 층, 및 상기 제 1 층 상부에 배치된 루테늄 함유층을 포함하고, 상기 루테늄 코팅은 상기 연료 전지의 동작 중에 하나 이상의 표면의 부식을 방지하도록 적응된다.
본원의 실시예들은, 하나 이상의 표면들을 갖는 바이폴라 플레이트를 더 제공하며, 상기 바이폴라 플레이트는 상기 하나 이상의 표면들의 일부에 증착된 물질층을 포함하며, 상기 하나 이상의 표면들은 상기 하나 이상의 바이폴라 플레이트의 하나 이상의 표면들에 배치된 코팅을 가지며, 상기 코팅은 상기 기판의 표면 상부에 배치된 제 1 층, 및 상기 제 1 층 상부에 배치된 루테늄 함유층을 포함하며, 상기 루테늄 함유층은 상기 연료 전지의 동작 중에 하나 이상의 표면의 부식을 방지하도록 적응된다.
본 발명의 실시예들은, 연료 전지를 형성하기 위해 사용될 수 있는 기판의 표면을 처리하는 방법을 더 제공하며, 상기 방법은 조립된 연료 전지에서 유체 채널의 일부를 형성하도록 적응된 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계, 및 상기 기판의 표면에 루테늄 함유층을 증착하는 단계를 포함하며, 상기 루테늄 함유층은 연료 전지의 동작 중에 표면의 부식을 방지하도록 적응된다.
본 발명의 실시예들은, 연료 전지를 형성하기 위해 사용될 수 있는 기판의 표면을 처리하는 방법을 더 제공하며, 상기 방법은 연료 전지의 전극 영역의 촉매 표면과 소통하는 유체 채널을 갖는 조립된 연료 전지를 제공하는 단계, 및 상기 유체 채널 또는 촉매 영역의 일부에 루테늄 함유층을 증착하기 위하여 상기 연료 전지의 전극 영역의 촉매 표면 및 상기 유체 채널에 루테늄 테트록사이드 함유 가스를 전달하는 단계를 포함한다.
위에서 언급된 본원 발명의 특징들이 상세히 이해될 수 있도록, 위에서 간략 히 요약된 본 발명의 보다 구체적인 설명이 일부는 첨부된 도면들에 도시된 실시예들을 참조로 하여 이루어진다. 그러나, 첨부된 도면은 단지 본원 발명의 전형적인 실시예들만을 도시하며 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 하는데, 이는 본 발명이 다른 균등하게 효과적인 실시예들에 받아들여질 수 있기 때문이다.
도 1은 연료 전지 유닛의 활성 영역의 간략화된 개략도를 도시하며;
도 2는 본원에 기재된 일 실시예에 따른 다중 바이폴라 플레이트들을 구비하는 연료 전지의 활성 영역을 도시하며;
도 3은 본원에 기재된 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 일 측부의 표면의 일 실시예를 도시하며;
도 4A는 본원에 기재된 일 실시예에 따른 기판의 표면에 형성된 돌출부의 단면도를 도시하며;
도 4B는 도 4A에 도시된 돌출부상에 배치된 종래 기술 코팅의 단면도를 도시하며;
도 5는 본원에 기재된 일 실시예에 따른 기판의 표면에 형성된 예시적인 코팅을 갖는 돌출부의 단면도를 도시하며;
도 6은 본원에 기재된 일 실시예를 수행하도록 적응될 수 있는 증착 챔버의 단면도를 도시하며;
도 7은 본원에 기재된 일 실시예에 따른 방법 시퀀스를 도시하며;
도 8A는 본원에 기재된 일 실시예에 따른 다중 바이폴라 플레이트들을 갖는 연료 전지의 활성 영역을 도시하며;
도 8B는 본원에 기재된 일 실시예에 따른 다중 바이폴라 플레이트들을 갖는 연료 전지의 활성 영역을 도시한다.
본원 발명은 일반적으로 연료 전지 요소들의 생성, 및 개선된 수명, 낮은 생산 단가 및 개선된 프로세스 성능을 갖는 다양한 연료 전지 요소들을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본원 발명은 일반적으로 기판 표면에 대한 양호한 접착, 낮은 전기 저항(높은 전도성) 및 연료 전지의 동작 중에 화학적 공격에 대한 양호한 저항성을 갖는 물질 층 또는 층들을 증착함으로써 기판 표면을 처리(treating) 또는 컨디셔닝(conditioning)하는 것을 포함한다. 기판은, 그중에서도 예를 들어, 연료 전지 부품, 전도성 플레이트, 분리 플레이트, 바이폴라 플레이트, 유니폴라 플레이트, 또는 단부 플레이트일 수 있다. 그러나, 본 발명은 다은 유형의 기판들에 균등하게 적용할 수 있다. 본원의 기판들은 임의의 형태(예를 들어, 원형, 정사각형, 직사각형, 다각형, 등) 및 크기일 수 있다. 또한, 기판의 유형은 제한되지 않고 금속, 플라스틱, 반도체 글라스, 탄소 함유 중합체, 혼합물, 또는 다른 적절한 물질들로 이루어진 임의의 기판일 수 있다.
도 1은 연료 전지(100)의 활성 영역(140)의 간략화된 개략도를 도시한다. 활성 영역(140)은 일반적으로 멤브레인(110), 애노드 촉매 영역(120), 캐소드 촉매 영역(130), 애노드 분리 플레이트(160) 및 캐소드 분리 플레이트(170)을 포함한다. 멤브레인(110)은 일반적으로 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 형성하도록 애노드 촉매 영역(120)과 캐소드 촉매 영역(130)을 이용하여 코팅된다. 멤브레인(110)은 이온 교환 수지 물질, 중합체 물질, 또는 전해질로 포화된 후 흐름 가스들을 투과시킬 수 있는 다공성 무기 지지체로 제조될 수 있다. 예를 들면, E.I. DuPont de Nemeours & Co사로부터 입수가능한 NationTM과 같은 이온 과불화(perfluoronated) 술폰산 중합체 막이다. 다른 적절한 멤브레인 물질은 Gore SelectTM 술폰화 플루오로카본 중합체, 폴리벤지미다졸(PBI) 멤브레인(텍사스 달라스 소재의 Celanese Chemicals로부터 입수가능), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK) 멤브레인 및 다른 물질들을 포함한다. 다공성 무기 물질의 예는 세라믹 또는 다른 무기 유전체 물질들을 포함할 수 있다. 일 예에서, 멤브레인(110)은 폴리벤지미다졸(PBI) 멤브레인 물질과 같은 중합체 물질로 제조된다. 캐소드 촉매 영역(130) 및 애노드 촉매 영역(120)을 위한 다양한 적절한 촉매 형성은 당해 기술 분야에 공지되어 있고, 일반적으로 플래티늄을 기반으로 하며 매우 미세하게 분할된 촉매 입자들이 탄소 바인더의 내부 및 외부 표면상에 지지되고 종종 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 바인더로 채워진다. 애노드 촉매 영역(120) 및 캐소드 촉매 영역(130)은 일반적으로 다공성이며 가스 투과가능한 전극 섹션상에 배치된 하나 이상의 촉매 물질을 함유하고, 탄소 페이퍼 또는 의류 기반의 섬유, 흑연 물질, 또는 미세한 그물로 된 귀금속 스크린, 폼(foam), 또는 당해 기술분야에서 공지된 다른 물질들로 일반적으로 제조된다.
한 쌍의 가스 투과가능한, 다공성 아닌, 전기적으로 전도성 플레이트, 가령 애노드 분리 플레이트(160) 및 캐소드 분리 플레이트(170)이 MEA를 샌드위치한다. 애노드 분리 플레이트(160)과 캐소드 분리 플레이트(170)은 일반적으로 연료 또는 산화 요소(oxdizing components)를 MEA의 표면으로 이송하고 전달하도록 구성된 유체 채널들(161 및 171)을 각각 가진다. 애노드 분리 플레이트(160)의 한 측부는 H2 및 다른 연료 가스들과 같은 기체 반응제를 애노드의 표면으로 분산시켜 보내는 유체 채널(161)을 포함한다. 연료 전지(100)에 있는 캐소드 분리 플레이트(170)의 한 측부는 O2, 공기, 및 다른 산화제와 같은 기체 산화제들을 캐소드의 표면으로 분산시켜 보내는 유체 채널(171)을 포함한다. 이러한 유체 채널들(161, 171)은 일반적으로 다수의 유동 채널들, 그루브들, 도관들, 피쳐들을 포함하며, 이를 통해 기체 반응제들이 가스 공급부(비도시)와 가스 배출부(비도시) 사이에서 흘려보내질 수 있다.
도 2는 증가된 에너지 출력을 갖는 연료 전지를 형성하도록 다수의 바이폴라 플레이트들(180)이 적층된 연료 전지의 활성 영역(140)의 보다 복잡한 버전을 도시한다. 이 구조에서, 도 1에 도시된 애노드 분리 플레이트(160)과 캐소드 분리 플레이트(170)은 바이폴라 플레이트(180)의 대향 측부에 있는 형성 영역들이다. 이 경우, 바이폴라 플레이트(180)의 한 측부는 연료 가스들에 노출되고 다른 측부는 산화제 가스들에 노출된다. 바이폴라 플레이트(180)는 이웃하는 연료 전지들의 애노드들 및 캐소드들 사이에 전기적 접촉을 제공하면서 수소와 산소 반응제 가스들이 혼합하는 것을 방지한다.
도 3은 바이폴라 플레이트(180)의 일 측부의 표면이 바이폴라 플레이트(180)의 베이스 영역(182)으로부터 MEA를 이격시키도록 구성된 다수의 돌출부(181)를 포 함하여, 바이폴라 플레이트(180)의 돌출 상단(183)이 MEA의 애노드 촉매 영역(120) 또는 캐소드 촉매 영역(130)과 물리적이고 전기적인 접촉을 하고 있을 때, 유체 채널(가령, 도면부호 161 또는 171)이 형성되는 일 실시예를 도시한다(도 2 및 3 참조).
일 실시예에서, 바이폴라 플레이트(180)는, 기판이 연료 전지에서의 반응의 부산물들 및/또는 전해질에 의해 공격받는 것을 방지하기 위하여 하나 이상의 표면들에 코팅(20)이 된 기판(23)을 포함한다. 이러한 구조는 특히 유리한데, 그 이유는 기판이 그로부터 선택되는 물질이 비교적 값싼 물질일 수 있고, 낮은 질량 밀도를 가지며, 노출된 표면들에 다양한 필요한 피쳐들을 형성하기 위해 쉽게 기계가공될 수 있기 때문이다. 일반적인 피쳐들은 유체 채널들(161 및 171)과 다양한 가열/냉각 채널들(비도시)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 일반적으로 적절한 기판(23) 물질은 이에 제한되지는 않으나 금속 합금(가령, 스테인레스 스틸, 티타늄, 알루미늄), 반도체 물질들(가령, 실리콘(Si), 고농도로 도핑된 Si), 탄소 함유 물질(가령, 흑연), 또는 전도성 중합체들을 포함한다. 이러한 구조에서, 기판(23)은 열 및 전기 에너지의 전달을 향상시키기 위한 부식 방지성의 전기적으로 전도성인 코팅(가령, 코팅(20))으로 보호된다.
일 실시예에서, 코팅(20)은 물질의 하나 이상의 층들을 포함하며, 각각의 층은 전기적으로 전도성인 층, 전기 접촉 요소, 및/또는 기판(23) 물질을 보호하는 층으로써 작용할 수 있다. 일반적으로 약 150 내지 약 200℃의 범위인 온도에서 인산을 이용하는 PAFC 어플리케이션과 같이 상당히 공격적인 환경에서 신뢰성 있게 작동하는 저비용 연료 전지를 형성하기 위해서는 구조가 특히 중요하다. 크랙, 구멍 또는 다른 유형의 결함들을 포함하는 코팅은 기판(23) 물질이 공격받게 할 것이며 그 후 결과적으로 연료 전지의 고장을 발생시킬 것이다. 이러한 문제점은 기판(23)이 PAFC에 포함된 인산에 노출된 실리콘 함유 물질로부터 형성되는 경우 특히 중요한 데, 그 이유는 이러한 온도에서 인산에 노출될 때, 실리콘(Si)의 에칭 속도가 매우 빠르기 때문이다.
PAFC 구조의 일 예는 금 층과 실리콘 기판들 사이에 탄탈(Ta) 접착층을 갖는 금(Au) 코팅된 실리콘 기판들을 이용한다. 금속 증발기를 채용한 종래에 형성된 코팅은 결함 없는 코팅을 형성하지 않으며, 이는 따라서 연료 전지에서의 반응의 부산물들 및/또는 전해질이 기판(23)을 손상할 수 있게 만든다. 유체 채널들(가령, 돌출부들(181))과 같은 기판(23) 표면상의 피쳐들을 경제적으로 형성하는 프로세스 도중 발생하는 한 가지 이슈는, 연료 전지의 동작 중에 기판의 부식 및 불완전한 코팅 커버리지를 갖는 영역들에 이르게 되는 각면들(facets) 또는 다른 결함 영역들을 피쳐들이 공통적으로 포함한다는 것이다. 도 4A는 기판(23)의 표면상에 형성될 수 있는 일 유형의 각면, 또는 다른 결함 영역들(가령, 결함(400))을 갖는 돌출부의 단면도를 도시한다. 이 경우, 결함(400)은 돌출부(181)의 프로파일 내에 형성된 안을 향해 있는(reentrant) 형태의 피쳐이다. 이러한 유형의 결함들은 종래의 증착 기술들을 이용해서는 종종 완전히 커버하기 어렵고 기판이 보호되는 것을 보장하기 위해서 종종 고가의 프로세스들 및 물질들을 요한다. 물리기상증착(PVD) 프로세스와 같은 조준선 증착(a line of sight deposition)을 이용할 때 발견되는 전형적인 문제점의 일 예가 도 4B에 도시되어 있다. 코팅 프로세스가 결함(400)을 적절히 커버하고 기판을 부식 환경에서의 공격으로부터 보호할 수 없음으로 인해 도 4B에 도시된 보이드들(402)이 코팅(401) 내에 형성된다.
따라서, 도 5에 도시된 것처럼, 기판(23)의 표면을 완전히 보호하고 증착하는 데 값 싼 코팅(20)이 필요하다. 본원에서 사용되는 "증착하는 데 값 싼"이란 표현은 일반적으로 코팅의 재료 비용과 증착 프로세스를 실행하는 비용 모두를 말하고자 함이다. 일반적으로, 연료 전지내의 공격적인 요소들이 기판 물질을 공격하는 것을 방지하기 위해서는 균일한(conformal) 코팅이 기판의 표면 위에 형성될 필요가 있다. 바이폴라 플레이트(180)의 일부로 사용될 때 코팅(20)은 기판 표면에 부착되고, 낮은 전기 저항(높은 전도성)을 가지고, 화학적 공격에 양호한 저항성을 가지며, 증착하기에 비교적 값 쌀 필요가 있다. 일반적으로 MEA의 애노드 촉매 영역(120) 또는 캐소드 촉매 영역(130)에 대한 양호한 전기 접촉 및/또는 전류 이송 층을 형성하기 위해 사용될 수 있는 부식 저항 층을 형성하기 위해 코팅(20)이 사용되기 때문에, 가령 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 탄탈, 및 플라티늄 및 귀금속(가령, 금, 은)과 같은 금속이 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 코팅(20)은 기판의 표면 상부에 균일하게 코팅된 루테늄(Ru) 함유 층을 포함한다. 루테늄의 층을 포함하는 코팅(20)은 연료 전지에서 화학적으로 공격적인 요소들로부터의 공격으로부터 기판의 표면을 보호하는 데 유리하다는 것이 발견되었다. 일 예에서, 30 옹스트롬(Å) 순수 루테늄 층이 실리콘 기판상에 증착되었고, 그 후 약 85 wt%의 인산을 포함하는 수용액에 약 2시간 미만 동안 약 180℃의 온도로 노출되었다. 이 실험에서, 약 0.775 mm 두께인 도핑된 실리콘 기판이 기판의 보호되지 않은 후면으로부터 완전히 에칭되어 제거되었고, 그 동안 30Å 루테늄 층은 어떠한 화학적 공격의 기미도 보이지 않았다. PAFC의 동작 동안 공격을 방지하기 위하여 루테늄 코팅을 이용하는 이점을 보여주기 위하여 전형적인 부식 결과가 표 1에 집계되었다. 약 180의 온도에서 끓는 85 wt% 인산 용액에 여러 후보들(coupon)을 노출시킴으로써 검사가 수행되었다. 본 검사는 인산 연료 전지내의 실리콘 함유 기판의 사용을 시뮬레이션하기 위해 완료되었지만, 임의 유형의 기판 물질에 증착된 루테늄 코팅은 PAFC에 사용될 때 유사한 결과를 얻을 것이라고 믿어짐에 주의하여야 한다.
다양한 막들의 부식 결과
기판 제 1 층
(접착층)		 제 2 층 제 3 층 결과
실리콘(Si) 500Å NiB - - NiB층은 5분 미만에 제거됨
실리콘(Si) 50Å NiSi 450Å NiB - 10분 미만에 Si의 공격
실리콘(Si) 30Å Ta 50Å TaN - 10분 미만에 Si의 공격
실리콘
(Si)/SiO2 		100Å W 30Å Ta 50ÅTaN 10분 미만에 W의 공격 및 40분 미만에 Si의 공격
실리콘
(Si)/SiO2 		30Å Ta 150Å TaN - 20분 미만에 Ta/TaN을 통한 SiO2의 공격 및 30분 미만에 Si의 공격
실리콘(Si) 50Å Ti 50Å TiN - 20분 미만에 Si의 공격
실리콘(Si) 50Å Ti 50Å TiN 30Å Ru 1시간 이후에 영향 없음
실리콘(Si) 100Å
90%Ru:10%Ta		 - - 1시간 이후에 영향 없음
실리콘(Si) 50Å Ta 50Å TaN 50Å Cu 10분 미만에 Ta/TaN을 통한 SiO2의 공격 및 20분 미만에 Si의 공격
표 1에 포함된 결과는 니켈, 텅스텐, 탄탈, 탄탈 질화물, 티타늄 및 티타늄 질화물과 같은 금속이 고온 인산 환경(가령, PAFC 환경)에서 기판의 부식을 방지하기에 적절하지 않지만, 다양한 비부식 저항성 코팅 상부의 얇은 루테늄 함유 코팅은 이러한 층들을 공격받는 것으로부터 보호했음을 나타낸다. 본원에 기재된 교시는 또한 무엇보다도 고체 산화물 연료 전지(SOFC), 용융 탄산염 연료 전지(MCFC), 직접 메탄올 연료 전지(DMFC), 중합체 전해질 멤브레인 연료 전지(PEMFC), 알카라인 연료 전지(AFC)를 포함하는 다른 유형의 연료 전지들에도 유용할 수 있음에 주의하여야 한다.
루테늄은 보호 코팅으로서 많은 장점을 가지는데, 그 이유는 루테늄이 값싸게 증착될 수 있고(후술됨), 재료비용이 다른 화학적으로 불황성의 코팅 재료들, 가령 금(Au), 플라티늄(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 및 이리듐(Ir)과 비교하여 상대적으로 저렴하며, 양호한 전기 전도성 및 견고함을 갖기 때문이다. 아래에 도시된 표 2는 코팅(20)으로 사용될 수 있는 전형적인 금속들의 특성과 비용을 열거하고 있다. 얇은 루테늄 코팅(가령, 30Å)이 또한, 기판과 하부층들을 보호하고, 따라서 값싸고 화학적으로 불활성이 아닌 재료들, 가령 티타늄(Ti), 니켈(Ni) 또는 스테인리스 스틸이 증착된 루테늄 층 하부에서 신뢰성 있게 사용될 수 있게 해준다. 이러한 구조에서, 화학적으로 불활성이 아닌 기판 및/또는 화학적으로 불활성이 아닌 하부층이 다양한 적층된 셀들을 전기적으로 연결하기 위하여 연료 전지의 전류 이송 층으로써 사용될 수 있고, 한편으로는 얇은 루테늄(Ru) 층을 포함하는 상부 보호층으로 인하여 화학적 공격으로부터 보호된다. 술폰산(H2SO4) 또는 인산(H2PO4)과 같은, 강한 무기산(mineral acid) 전해질을 채용하는 어플리케이션에서, RuO2 표면은 전극 이중층에서의 양성자첨가(protonation)/탈양성자화(deprotonation) 및 전자 전달을 포함하는 것으로 생각되는 빠른 가역 산화환원 거동을 나타낸다고 믿어진다. 사실, RuO2는 금속(전기) 전도성을 나타내며, 연료 전지 동작 온도(가령, 160℃)에서 분자 산소의 반응들을 촉진시킬 수 있다. 따라서, 루테늄 이산화물, 및 루테늄은 멤브레인(110)의 애노드 촉매 영역(120)과 캐소드 촉매 영역(130)에 있는 높은 표면 영역 가스 확산 층 영역들에 대해 CVD 타입 프로세스를 이용하여 부가될 수 있는 촉매적으로 활성인(catalytically active) 캐소드 물질로써 매력적이다.
물질 특성 및 일반적인 물가
원소 기호 비용
(US$/온스)		 저항
(nΩ-m)		 강도
(Mohs)
은 Ag 11.64 15.9 2.5
구리 Cu 0.05 16.8 3.0
금 Au 585 22.1 2.5
로듐 Rh 4,030 43.3 6.0
이리듐 Ir 335 47.1 6.5
니켈 Ni 0.34 69.9 4.0
루테늄 Ru 165 71.0 6.5
오스뮴 Os 400 81.2 7.0
팔라듐 Pd 337 105 4.8
플래티늄 Pt 1,077 106 3.5
탄탈 Ta 2.15 131 6.5
티타늄 Ti 0.06 420 6.0
일 실시예에서, 코팅(20)은 기판(23)의 표면상에 증착된 물질들의 다중층 스택을 포함한다. 도 2는 기판(23)상에 증착된 코팅(20)이 세 개의 층들(가령, 층(25), 층(26), 층(27))을 포함하는 일 실시예를 도시한다. 도 2가 세 개의 층들을 포함하는 구조를 도시하고 있지만, 이 구조는 본 발명의 범위에 대한 제한을 의도하는 것이 아닌데, 그 이유는 코팅(20)은 바이폴라 플레이트와 MEA 사이의 전기적 접촉을 용이하게 하고, 연료 전지를 통한 전기의 전달을 용이하게 하고, 기판 및/또는 하부층들의 화학적 공격에 저항을 제공하기에 충분한 층들을 포함하기만 하면 되기 때문이다. 코팅(20)에 포함되는 하나 이상의 층들을 형성하기 위해 사용될 수 있는 전형적인 물질들은, 예를 들면, 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄질화물(TiN), 플래티늄(Pt), 팔라듐(Pd), 탄탈(Ta), 탄탈 질화물(TaN), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 로듐(Rh) 및 레늄(Re)이다. 양호한 부식 저항 특성을 구비하는 루테늄(Ru) 함유 층을 포함하는 코팅(20)을 형성하기 위해 사용되는 다중층 스택들의 예는, 이에 제한되는 것은 아니나, Ti/TiN/Ru, Ti/Ru, Ni/Ru, Ni/Ru/Au, Ni/Ru/Pt, TiN/Ru, Ta/Ru, Ta/TaN/Ru, TaNfTsJRu, Ti/TiN/Ru/Pt, Ti/Ru/Pt, Ni/Ru/Pt, Ti/Ru/Pt, Ta/Ru/Pt, Ta^aN/Ru/Pt, Ti/TiN/Ru/Au, Ti/Ru/Au, Ni/Ru/Au, Ti/Ru/Au, Ta/Ru/Au, Ta/TaN/Ru/Au, Ti/Ru/Au/Pt, Ta/Ru/Au/Pt, 및 Ti/TiN/Ru/Au/Pt을 포함한다. 일 측면에서, 코팅(20)은 약 5Å 내지 약 10,000Å 두께의 루테늄 함유 층을 포함한다. 다중층 스택을 정의하기 위하여 본원에서 사용되는 명명법은 가장 왼쪽의 층이 하부층이고(즉, 기판과 접촉하고) 가장 오른쪽의 층이 상부층이 되도록 정렬될 수 있는 분리된 층들(discrete layers)을 포함하는 코팅(20)을 서술하기 위한 것이다. 예를 들어, Ti/TiN/Ru 스택은 티타늄(Ti) 함유 층, 티타늄 질화물(TiN) 함유 층, 및 루테늄(Ru) 함유 층(가령, 순수한 Ru, 0.9Ru:0.1Ta, 등)의 세 개의 층을 포함하며, 이들은 Ti 함유 층이 기판(23)상에 증착된 후, TiN 함유 층이 Ti 층 상부에 증착되고, 그 후 Ru 함유 층이 양 층들 상부에 증착되도록 배열된다. 코팅(20)의 상부층은 일반적으로 연료 전지 내에 포함되거나 생성된 공격성의 종들에 의해 화학적으로 공격받지 않을 층을 포함할 것이다. 코팅(20)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 다중층 스택들은 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD), 원자층 증착(ALD), 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD), 전기화학증착(ECP), 또는 무전해 증착 프로세스들과 같은 하나 이상의 종래의 증착 기법의 이용에 의해 증착될 수 있다. 일 측면에서, 코팅(20)의 총 두께는 약 10 내지 약 10,000 옹스트롬(Å)이다.
일 실시예에서, 균일한 접착층(25)(도 2)이 무전해 증착 프로세스, 전기화학 증착 프로세스(가령, 기판(23)은 전도성임), CVD 증착 프로세스, 또는 ALD 증착 프로세스의 이용에 의해 기판(23)의 표면상에 증착된다. 접착층(25)은 후속하여 증착된 층들(가령, 도 2의 층(26, 27))에 대한 확산 배리어층으로써, 후속하여 증착된 층들의 기판(23)으로의 부착을 촉진하는 층으로써, 안정된 전기 접촉 층으로써, 및/또는 후속 층들의 증착을 촉진하기 위한 균일한 촉매 층으로써 사용될 수 있다. 일반적으로, 접착층(25)은 기판 물질에 잘 붙고/붙거나 연료 전지 처리 온도에서 열적으로 안정한, 기판에 대한 양호한 전기 접촉을 제공하는 것으로 알려진 금속을 포함할 것이다. 예를 들어, 접착층(25)은 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 탄탈(Ta), 코발트(Co), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 플래티늄(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo) 및 이들의 조합과 같은 금속을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 접착층(25)은 캘리포니아 산타클라라 소재의 Applied Materials 사로부터 입수가능한 종래의 CVD 또는 ALD 타입 프로세스를 이용하여 기판의 표면에 형성된다. 또 다른 실시예에서, 접착층(25)은 가령 Applied Materials 사로부터 입수가능한 SIP 챔버와 같은 PVD 타입 프로세스를 이용하여 기판의 표면에 형성된다.
또 다른 측면에서, 접착층(25)은 이중 또는 삼중 합금을 증착하기 위하여 무전해 증착 프로세스의 이용에 의해 형성될 수 있고, 상기 이원 또는 삼원 합금의 예는 코발트 붕소화물(CoB), 코발트 인화물(CoP), 니켈 붕소화물(NiB), 니켈 붕소화물(NiP), 코발트 텅스텐 인화물(CoWP), 코발트 텅스텐 붕소화물(CoWB), 니켈 텅스텐 인화물(NiWP), 니켈 텅스텐 붕소화물(NiWB), 코발트 몰리브덴 인화물(CoMoP), 코발트 몰리브덴 붕소화물(CoMoB), 니켈 몰리브덴 붕소화물(NiMoB), 니켈 몰리브덴 붕소화물(NiMoP), 니켈 레늄 인화물(NiReP), 니켈 레늄 붕소화물(NiReB), 코발트 레늄 붕소화물(CoReB), 코발트 레늄 인화물(CoReP), 이들의 유도체 또는 이들의 조합이다. CoB, CoP, CoWP, CoWB, CoMoP, CoMoB, CoReB, CoReP, NiB, NiP, NiBP, NiWP, 또는 NiWB와 같은 코발트 합금 또는 니켈 합금 층을 형성하기 위해 사용되는 무전해 증착 프로세스의 예는 2006년 3월 20일 출원된 미국특허출원 시리얼 No. 11/385,290 [APPM 9916], 2005년 1월 22일 출원된 공동계류중인 미국특허출원 시리얼 No. 11/040,962 [APPM 8926], 2004년 10월 15일 출원된 공동계류중인 미국특허출원 시리얼 No. 10/967,644 [APPM 8660], 2004년 10월 18일 공동계류중인 미국특허출원 시리얼 No. 10/967,919 [APPM 8660.02]에 더 기재되어 있고, 이들 문서는 그 전체 내용이 본원에 참고문헌으로 포함된다.
일 예에서, 니켈 붕소화물 인화물(NiBP) 함유 접착층(25)을 증착하기 위한 무전해 용액은 약 36 mM 내지 약 44 mM의 농도를 갖는 황산 니켈; 약 23 mM 내지 약 27 mM의 농도를 갖는 DMAB; 약 41 mM 내지 약 49 mM의 농도를 갖는 구연산; 약 62 mM 내지 약 73 mM의 농도를 갖는 젖산; 약 16 mM 내지 약 20 mM의 농도를 갖는 글리신; 약 1 mM 내지 약 4 mM의 농도를 갖는 붕산; 약 9 mM 내지 약 11 mM의 0.5M 테트라메틸암모늄 차아인산; 및 약 9 내지 약 10, 가령 9.2의 pH 값을 갖도록 무전해 용액을 조정하는 농도를 갖는 TMAH를 포함한다. 무전해 증착 프로세스는 약 35 내지 약 100℃, 더욱 바람직하게는 약 75 내지 약 80℃의 온도에서 수행될 수 있다. "물" 성분은 탈가스화(degassing), 예열 및/또는 탈이온화된 물일 수 있다. 물을 탈가스화하면, 후속하여 형성되는 무전해 용액의 산소 농도를 감소시킨다. 낮은 산소 농도(가령, 약 100 ppm 미만)를 갖는 무전해 용액이 증착 프로세스 동안 사용될 수 있다. 예열된 물은 증착 프로세스를 개시하기 위해 사용되는 온도 바로 미만의 소정의 온도에서 무전해 용액을 형성하는 것을 가능하게 하며, 이에 의해 프로세스 시간을 단축시킨다.
기판(23)의 표면에 균일한 접착층(25)이 증착된 후에, 하나 이상의 층들이 그 상부에 증착되어, 화학적 공격으로부터 접착층(25) 및 기판(23)을 보호하고, 후속하여 증착된 층들의 접착을 촉진하며, 전류 이송 층으로써 작용하며, 및/또는 애노드 촉매 영역(120) 또는 캐소드 촉매 영역(130)에 바이폴라 플레이트(180)를 연결하기 위하여 전기 접촉 촉진 표면을 제공한다. 일 실시예에서, 코팅(20)은 기판(23) 표면 상부에 증착된 두 개의 층들을 포함한다. 일 측면에서, 코팅(20)은 티타늄/루테늄 (Ti/Ru) 층 스택이며, 접착층(25)은 약 10 Å 내지 약 5,000 Å의 두께를 갖는 티타늄 함유층 및 약 10 Å 내지 약 5,000 Å의 두께를 갖는 상부 루테늄 함유층이다. 또 다른 측면에서, 코팅(20)은 니켈/루테늄 (Ni/Ru) 층 스택이며, 접착층(25)은 약 10 Å 내지 약 5,000 Å의 두께를 갖는 니켈 함유층(가령, Ni, NiB, NiP, NiBP) 및 약 10 Å 내지 약 5,000 Å의 두께를 갖는 상부 루테늄 함유층이다. 또 다른 측면에서 코팅(20)은 탄탈/루테늄 (Ta/Ru) 층 스택이며, 접착층(25)은 약 10 Å 내지 약 5,000 Å의 두께를 갖는 탄탈 함유층 및 약 10 Å 내지 약 5,000 Å의 두께를 갖는 상부 루테늄 함유층이다. 이 구조에서, 루테늄 함유층은 하부의 접착층(25) 및 기판(23)을 보호하고, 전류 이송 층으로 작용하며, 및/또는 바이폴라 플레이트(180)와 애노드 촉매 영역(120) 또는 캐소드 촉매 영역(130) 사이의 신뢰할 수 있는 전기 접촉을 제공하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 코팅(20)은 기판(23)을 화학적 공격으로부터 보호하고, 후속하여 증착되는 층들의 접착을 촉진하고, 전류 이송층으로 작용하며, 및/또는 바이폴라 플레이트(180)를 애노드 촉매 영역(120) 또는 캐소드 촉매 영역(130)과 연갈하는 전기 접촉 촉진 표면을 제공하도록 구성된 세 개의 층들을 포함한다. 일 측면에서, 코팅(20)은 접착층(25), 약 10 Å 내지 약 5,000 Å의 두께를 갖는 중간 루테늄 함유층, 중간 루테늄 함유층상에 배치된 전기 접촉층(가령, 층(27))을 포함한다. 일 측면에서, 접착층(25)은 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄 질화물(TiN), 플래티늄(Pt), 팔라듐(Pd), 탄탈(Ta), 탄탈 질화물(TaN), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 레늄(Re), 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 약 10 Å 내지 약 5,000 Å의 두께를 갖는 금속이다. 일 측면에서, 최상부의 전기 접촉층(가령, 층(27))은 금(Au), 플래티늄(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 약 10 Å 내지 약 5,000 Å의 두께를 갖는 금속이다. 이 구조는 유리할 수 있는데, 그 이유는 최상부층(가령, Au, Pt)이 자신의 가단성 및 산화 특성으로 인해 양호한 전기 접촉을 형성하는 한편, 루테늄 합유층은 양호한 기계적 특성(가령, 경도, 마찰저항성)을 가지는 부식 저항층을 제공하기 때문이다. 금(Au), 플래티늄(Pt), 및 팔라듐(Pd)과 같은 금속들을 증착하기 위해 사용되는 종래의 증착 기술들은 기판(23)의 공격을 방지하기 위해 사용될 수 있는 신뢰할 수 있고 및/또는 견고한 코팅을 형성할 수 없었는데, 그 이유는 증착된 막들이 일반적으로 공극, 홀, 또는 다른 유형의 불연속을 포함하기 때문이다. 또한, MEA와 바이폴라, 유니폴라, 또는 엔드 플레이트의 표면 사이의 접촉을 생성하기 위해 가해진 압력은 코팅(20)의 최상부층에 침투 및/또는 홀 형성을 할 수 있다고 믿어진다. 이러한 문제는 금, 은 및 플래티늄과 같은 더욱 부드러운 코팅 물질들에 있어 더욱 유력하다. 따라서, 루테늄과 같은 비교적 단단한 코팅(20) 내부의 층을 부가함으로써 이러한 유형의 실패들은 방지될 수 있다고 믿어진다. 일 실시예에서, 전기 접촉층은 일반적으로 전기 이송층으로 작용하고 및/또는 바이폴라 플레이트(180)와 애노드 촉매 영역(120) 또는 캐소드 촉매 영역(130) 사이에 신뢰할 수 있는 전기 접촉을 제공하기 위해 사용되는 한편, 중간 루테늄 함유층은 하부의 접착층(25) 및 기판(23)을 보호하도록 구성된다.
일 측면에서, 기판(23)에 대한 접착층(25)의 결합을 촉진하고/하거나 증착된 막들에 응력을 감소시키기 위하여 기판(23)의 표면에 증착된 코팅(20)을 어닐링하는 것이 바람직할 수 있다. 일 측면에서, 기판(23)이 실리콘 함유 기판인 경우, 어닐링 프로세스는 접착층(25)과 기판(23) 사이에 실리사이드 층의 형성을 촉진하는 충분히 높은 온도에서 완결될 수 있다. 이 경우, 접착층(25)은 각각 니켈 실리사이드(NiSix), 코발트 실리사이드(CoSix), 텅스텐 실리사이드(WSix), 몰리브덴 실리사이드(MoSi), 티타늄 실리사이드(TiSix) 또는 탄탈 실리사이드(TaSix)를 형성하기 위한 니켈, 코발트, 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄 또는 탄탈 함유층일 수 있다.
루테늄 함유층 형성 프로세스 및 증착 장치
전술한 것처럼, 제조할 가치 있는 연료 전지를 생산하는 데 있어서의 두 가지 주된 측면은 연료 전지를 생산하는 비용을 최소화하고 원하는 수명/신뢰도를 갖는 연료 전지를 형성하는 연료 전지 제조 프로세스를 개발하는 것이다. 전술한 것처럼, 이러한 목표들을 만족시키는 한 방법은 기판의 표면을 보호하기 위하여 루테늄 함유층을 값싸게 형성하는 것이다. 전술된 하나의 이러한 방법은 루테늄 테트록사이드 함유 가스의 사용에 의해 기판(23)의 표면상에 루테늄 함유층을 선택적으로 또는 비선택적으로 증착하도록 구성된다. 루테늄 함유층의 기판 표면으로의 선택적 또는 비선택적 증착은 루테늄 테트록사이드 함유 가스에 노출되는 표면들의 온도와 유형에 강하게 의존한다고 믿어진다. 또한, 온도를 가령 약 180 ℃ 미만으로 조절함으로써 루테늄 층이 소정 유형의 표면들상에 선택적으로 증착될 수 있다. 더 높은 온도, 예를 들어, 180℃를 초과하는 온도에서 루테늄 테트록사이드 함유 가스로부터의 루테늄 증착 프로세스는 훨씬 덜 선택적으로 되고 따라서 블랭킷 막(blanket film)이 모든 유형의 표면들상에 증착하게 한다.
일 측면에서, 기판의 표면에 증착된 루테늄 함유층의 특성들은 기판의 표면 상부에 보호층을 제공하기 위해 특수하게 조정된다. 전형적인 바람직한 특성들은 기판의 표면상에 결정질 또는 비정질 금속 루테늄 층들의 형성을 포함할 수 있다. 루테늄 테트라톡사이드 증착 프로세스를 사용하는 또 다른 바람직한 특징은, 예를 들어 연료 전지 반응을 위한 촉매 및/또는 전기 전도체로 작용하도록, MEA 또는 기판의 표면상에 루테늄 이산화물층(RuO2)을 형성하는 능력이다. 일 실시예에서, 루테늄 테트록사이드는 연료 전지내에 설치하기 전에 MEA 구조를 형성하기 위해 사용된다. 이 구조에서, 루테늄 테트록사이드는 MEA의 애노드 촉매 영역(120) 또는 캐소드 촉매 영역(130) 표면들을 코팅하기 위하여 내부에 MEA가 배치된 프로세싱 챔버로 전달된다. 또 다른 실시예에서, 루테늄 테트록사이드는 MEA의 애노드 촉매 영역(120) 또는 캐소드 촉매 영역(130) 표면의 코팅을 제공하기 위하여 완전히 조립된 연료 전지내의 유체 채널들로 전달된다(후술함).
기판 표면상에 층을 증착하기 위해 사용될 루테늄 테트록사이드를 형성하는 여러 값 싼 방법들의 예는 2005년 9월 15일 출원된 미국 특허출원 시리얼 번호 11/228,425 [APPM 9906]에 더 기재되어 있고, 상기 문헌은 그 전체 내용이 참고문헌으로 본원에 포함된다. 루테늄 테트록사이드를 형성하고 루테늄 함유층을 증착하기 위해 사용되는 한 가지 방법의 예가 이하 설명된다. 기판상에 루테늄 함유층을 형성하기 위하여 루테늄 테트록사이드 함유 가스를 형성하는 예시적인 장치 및 방법이 본원에 기재된다.
도 6은 기판의 표면에 루테늄 함유층을 생성 및 증착하도록 적응될 수 있는 증착 챔버(600)의 일 실시예를 도시한다. 일 실시예에서, 루테늄 함유층은, 외부 용기에서 루테늄 테트록사이드를 생성한 후, 프로세싱 챔버에 위치된 온도 제어된 기판의 표면으로 생성된 루테늄 테트록사이드 가스를 전달함으로써, 기판의 표면상에 형성된다.
일 실시예에서, 루테늄 테트록사이드 함유 가스는, 외부 용기에 하우징되어 있는 루테늄 소스를 가로질러 오존 함유 가스를 통과시킴으로써 생성되거나 형성된다. 일 측면에서, 루테늄 소스는 실온 근처의 온도에서 유지된다. 일 측면에서, 루테늄 소스는 오존과 반응하는 소정량의 루테늄 금속(Ru)을 포함한다. 일 측면에서, 외부 용기에 포함되어 있는 금속 루테늄 소스는 분말, 다공성 블록, 또는 고체 블록 형태이다.
또 다른 측면에서, 외부 용기에 하우징되어 있는 루테늄 소스는 소정량의 과루테늄산염(perruthenate) 물질, 가령 나트륨 과루테늄산염(NaRuO4) 또는 또는 칼륨 과루테늄산염(KRuO4)을 포함하며, 이들은 반응 (1) 또는 (2)에 따라서 유사하게, 반응 조건에서 휘발성인 루테늄 테트록사이드(RuO4) 화합물을 형성하기 위하여 오존과 반응할 것이다.
2NaRuO4 + O3 + H2O → RuO4 + 2NaOH + Na2O + O2 (1)
2KRuO4 + O3 + H2O → RuO4 + 2KOH + K2O + O2 (2)
여기에 보여진 물질들의 리스트는 제한하고자 하는 것이 아니며 따라서 오존 또는 다른 산화 가스들에 노출시에 루테늄 테트록사이드 함유 가스를 형성하는 임의의 물질이 본 발명의 기본 범위로부터 일탈하지 않고 사용될 수 있다. 외부 용기에서 사용되는 다양한 루테늄 소스 물질들을 형성하기 위하여 다양한 종래의 형성 프로세스들이 사용될 수 있다.
증착 챔버(600)는 일반적으로 프로세스 가스 전달 시스템(601) 및 프로세싱 챔버(603)를 포함한다. 도 6은 기판의 표면에 루테늄 함유층을 증착하기 위해 적응될 수 있는 프로세싱 챔버(603)의 일 실시예를 도시한다. 일 측면에서, 프로세싱 챔버(603)는 기판(23)의 표면에 루테늄 함유층을 증착하기 전에 CVD, ALD, PECVD 또는 PE-ALD 프로세스의 사용에 의해 기판의 표면에 접착층(25)을 증착하도록 구성될 수 있는 프로세싱 챔버(603)이다. 또 다른 측면에서, 프로세싱 챔버(603)는 주로 루테늄 함유층을 증착하도록 구성되며 따라서 임의의 이전 또는 이후의 디바이스 제조 단계들은 다른 프로세싱 챔버들에서 수행된다. 프로세싱 동안 진공 프로세싱 챔버의 사용은 유리할 수 있는데, 그 이유는 진공 조건에서의 프로세싱은 증착된 막에 포함될 수 있는 오염의 양을 감소시킬 수 있기 때문이다. 진공 프로세싱은 또한 기판의 표면으로의 루테늄 테트록사이드의 확산 운반 프로세스를 개선시킬 것이며, 대류형 운반 프로세스에 의해 발생되는 제한을 감소시키는 경향이 있다.
프로세싱 챔버(603)는 일반적으로 프로세싱 엔클로저(404), 샤워헤드(410), 온도 제어된 기판 지지부(623), 및 프로세싱 챔버(603)의 주입 라인(426)에 연결된 프로세스 가스 전달 시스템(601)을 포함한다. 프로세싱 엔클로저(404)는 일반적으로, 측벽(405), 천장(406) 및 프로세싱 챔버(603)를 둘러싸고 프로세스 영역(421)을 형성하는 베이스(407)를 포함한다. 지지 표면(623A)상에 기판(422)을 지지하는 기판 지지부(623)는 프로세싱 챔버(603)의 베이스(407)에 장착된다. 증착 챔버(600)의 일 실시예에서, 기판 지지부(623)는 기판(422) 표면에 증착된 루테늄 층의 특성들을 개선 및 제어하기 위하여 열 교환 디바이스(620) 및 온도 제어기(621)를 이용하여 가열 및/또는 냉각된다. 일 측면에서, 열 교환 디바이스(620)는 열 교환중인 유체 온도를 제어하는 온도 제어기(621)와 소통하는 매립된 열 전달 라인들(625)을 포함하는 유체 열 교환 디바이스이다. 또 다른 측면에서, 열 교환 디바이스(620)는 저항성 히터이고, 이 경우 매립된 열 전달 라인들(625)은 온도 제어기와 소통하는 저항성 가열 소자들이다. 또 다른 측면에서, 열 교환 디바이스(620)는 기판 지지부(623)를 가열 및 냉각하도록 구성된 열전쌍 디바이스이다. 진공 펌프(435), 가령 터보 펌프, 크라이오(cryo)-터보 펌프, 루트-타입 블로어(roots-type blower), 및/또는 러프(rough) 펌프는 프로세싱 챔버(603) 내의 압력을 제어한다. 샤워헤드(410)는 프로세스 가스 전달 시스템(601) 및 유입 라인(426)에 연결된 가스 분배 플레넘(420)으로 구성된다. 유입 라인(426) 및 프로세스 가스 전달 시스템(601)은 다수의 가스 노즐 개구들(430)을 통해 기판(422) 상부의 프로세스 영역(427)과 소통한다.
본 발명의 일 측면에서, 증착된 루테늄 함유층의 특성들을 향상시키기 위하여 증착 프로세스 동안 플라즈마를 발생시키는 것이 바람직할 수 있다. 이 구조에서, 샤워헤드(410)는 전도성 물질(가령, 양극산화된 알루미늄 등)로 제조되며, 이에 부착된 제 1 임피던스 매칭 요소(475) 및 제 1 RF 전력 소스(490)의 이용에 의해 플라즈마 제어 디바이스로 작용한다. 바이어스 RF 발생기(462)는 임피던스 매칭 요소(464)를 통해 RF 바이어스 전력을 기판 지지부(623) 및 기판(422)에 인가한다. 제어기(480)는 임피던스 매칭 요소들(가령, 475 및 464), RF 전력 소스(가령, 490 및 462) 및 플라즈마 프로세스의 모든 다른 측면들을 제어하도록 적응된다. RF 전력 소스에 의해 전달된 전력의 주파수는 약 0.4 MHz와 10 GHz 이상의 주파수 사이의 범위일 수 있다. 일 실시예에서, 동적 임피던스 매칭이 주파수 튜닝에 의해 및/또는 포워드 전력 공급(forward power serving)에 의해 기판 지지부(623) 및 샤워헤드(410)에 제공된다. 도 6이 용량 결합된 플라즈마 챔버를 도시하고 있지만, 본원 발명의 다른 실시예들은 본 발명의 기본적 범위를 변경하지 않고 유도 결합된 플라즈마 챔버들, 또는 유도 및 용량 결합된 플라즈마 챔버들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 프로세싱 챔버(603)는 다양한 플라즈마 생성된 종들 또는 라디컬들을 유입 라인(671)을 통해 프로세싱 영역(427)에 전달하도록 적응된 원격 플라즈마 소스(RPS)(도 6의 요소 670)를 포함한다. 증착 챔버(600)와 함께 사용하도록 적응된 RPS는 메사추세추 윌밍턴의 MKS ASTeX 제품으로부터의 Astron Type AX7651 반응 가스 발생기이다. RPS는 일반적으로 수소(H) 라디컬과 같은 반응성 요소들을 형성하기 위해 사용되며, 이들은 프로세싱 영역(427)으로 도입된다. RPS는 따라서 반응 프로세스를 개선하기 위하여 여기된 가스 종들의 반응성을 개선한다. 전형적인 RPS 프로세스는 1000 sccm의 H2 및 1000 sccm의 아르곤 및 350 Watts 의 RF 전력 및 약 13.56 MHz의 주파수를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 성형 가스, 가령 4% H2를 함유하는 가스와 밸런스 질소가 사용될 수 있다. 또 다른 측면에서는, 하이드라진(N2H4)을 함유하는 가스가 사용될 수 있다. 일반적으로, RuO2를 Ru로 변환할 수 있는 환원종들을 발생시키기 위한 플라즈마 여기의 사용은 이러한 반응이 저온에서 진행할 수 있게 해줄 것이다. 이러한 프로세스는 일반적으로 약 180℃ 미만에서 RuO2를 선택적으로 증착하고, 후속하여 동일 온도에서 및/또는 동일 챔버에서 금속 루테늄으로의 환원을 수행하기를 바라는 경우 가장 유용하다.
증착 챔버(600)의 일 실시예에서, 프로세스 가스 전달 시스템(601)은 프로세스 영역(427)에 루테늄 함유 가스, 또는 증기를 전달하도록 적응되어 루테늄 함유층이 기판 표면에서 형성될 수 있다. 프로세스 가스 전달 시스템(612)은 일반적으로 하나 이상의 가스 소스들(611A-E), 오존 발생기(612), 프로세싱 용기(630), 소스 용기 어셈블리(640) 및 프로세싱 챔버(603)의 유입 라인(426)에 부착된 유출 라인(660)을 포함한다. 하나 이상의 가스 소스들(611A-E)은 일반적으로 프로세싱 챔버(603)에서 프로세싱 동안 사용될 수 있는 여러 캐리어 및/또는 정화 가스들의 소스들이다. 가스 소스들(611A-E)로부터 전달된 하나 이상의 가스들은, 예를 들어, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소, 또는 다른 유사한 가스들을 포함할 수 있다.
일반적으로, 오존 발생기(612)는 오존 발생기(612)에 부착된 가스 소스(비도시)로부터의 산소 함유 가스를 약 4 wt.% 내지 약 100 wt.%의 오존(O3)을 함유하며, 나머지는 일반적으로 산소인 가스로 변환하는 디바이스이다. 바람직하게는, 오존의 농도는 약 6 wt.% 내지 약 100 wt.%이다. 약 15%를 초과하는 농도의 성형 오존은 일반적으로 프로세싱 용기 내의 차가운 표면에 오존을 흡수하고, 그 후 오염물을 제거하기 위해 유입 가스를 이용하여 용기를 정화하는 프로세스를 필요로 하는 세정(purification) 프로세스를 요할 것이다. 그러나, 오존 농도는 원하는 오존의 양과 사용된 오존 발생 설비의 유형에 기초해서 증가되거나 감소될 수 있다. 증착 챔버(600)와 사용하도록 적응될 수 있는 일반적인 오존 발생기는 메사추세추 윌밍턴 소재의 MKS ASTeX 프로덕트로부터 구매할 수 있는 Semozon 및 Liquozon 오존 발생기이다. 가스 소스(611A)는 오존 발생기(612)에서 발생된 오존을 프로세싱 용기(630)의 입력 포트(635)로 전달하기 위한 캐리어 가스 또는 정화 가스에 적합화될 수 있다.
프로세스 가스 전달 시스템(601)의 일 실시예에서, 프로세싱 용기(630)는 용기(631), 온도 제어 디바이스(634A), 입력 포트(635) 및 출력 포트(636)를 포함한다. 용기(631)는 일반적으로 용기(631)내에서 형성된 프로세싱 가스와 반응하지 않을 글라스, 세라믹 또는 다른 불활성 물질로 제조되거나 코팅된 밀봉된 영역이다. 일 측면에서, 용기(631)는 오존 가스가 용기(631)로 전달될 때 루테늄 테트록사이드의 형성을 촉진하기 위하여, 바람직하게는 다공성-고체, 분말, 또는 펠릿 형태인 루테늄 소스(가령, 루테늄 금속, 나트륨 과루테늄산염(perruthenate); 요소 "A" 참조)의 볼륨을 포함한다. 온도 제어 디바이스(634A)는 일반적으로 온도 제어기(634B) 및 열 교환 디바이스(634C)를 포함하며, 이들은 루테늄 테트록사이드 동작 프로세스 중에 원하는 프로세싱 온도로 용기(631)의 온도를 제어하도록 적응된다. 일 측면에서, 열 교환 디바이스(634C)는 프로세스의 상이한 상태 동안 용기(631)를 가열 및/또는 냉각하도록 적응된 온도 제어된 유체 열 교환 디바이스, 저항성 가열 디바이스 및/또는 열전쌍 디바이스이다.
일 실시예에서, 원격 플라즈마 소스(673)는 RPS 유입 라인(673A)을 경유하여 프로세싱 용기(630)에 연결되어, 루테늄 테트록사이드 형성 프로세스의 상이한 상태에서, 루테늄 소스의 표면에서 임의의 형성된 산화물을 환원시키기 위하여 수소(H) 라디컬들을 용기(631)로 주입함으로써 루테늄 소스가 재생될 수 있다. 재생은 루테늄 이산화물(RuO2)의 바람직하지 않은 층이 용기(631)에 포함된 노출된 루테늄 소스의 상당한 부분에 형성될 때 필요할 수 있다. 일 실시예에서, 재생 프로세스는 형성된 산화물을 환원시키기 위한 노력으로 상승된 온도로 가열된 루테늄 소스로 수소 함유 가스를 도입함으로써 수행될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 루테늄 테트록사이드는 수용성 차아염소산(hypochlorite) 용액을 이용하여 형성될 수 있다. 루테늄 테트록사이드 형성 프로세스의 제 1 단계는 60℃로 가열된 차아염소산 나트륨을 포함하는 제 1 용기에 있는 수용성 용액에 루테늄 분말을 최초로 용해시킴으로써 시작된다. 일 측면에서, 프로세스 용액은, 루테늄 테트록사이드를 유리시키기 위하여, 7 근처의 pH 값으로 황산과의 역가측정(titration)에 이어지는 잉여 차아염소산나트륨(NaOCl)의 용액에 루테늄 금속을 용해시킴으로써 형성될 수 있다. 차아염소산칼륨 또는 차아염소산칼슘과 같은 차아염소산 물질이 차아염소산나트륨을 대신하여 사용될 수도 있음을 인식할 수 있다. 루테늄 테트록사이드는 반응 (3)에 의해 형성될 것 같다.
Ru(금속) + 4NaOCl → RuO4 + 4NaCl (3)
일 예에서, 프로세스 용액은 50 ml의 차아염소산나트륨(가령, 10% NaOCl 용액)을 1 그램의 미세하게 분말화된 루테늄 금속과 혼합하고 용해가 근본적으로 완결될 때까지 휘저어서 형성되었다. 물속의 충분한 양의 10% H2SO4 용액이 그 후 약 7의 ph를 얻기 위하여 부가되었다. 일반적으로, 산화할 수 없고 비휘발성인 임의의 산, 가령 인산(H3PO4)이 황산을 대신하여 사용될 수 있다. 루테늄 테트록사이드를 차아염소산을 이용하여 형성하는 방법의 일 예가 2005년 9월 15일 출원된 미국특허출원 시리얼 번호 11/228,425 [APPM 9906]에 더 기재되어 있고, 이는 그 전체 내용이 참고문헌으로 본원에 포함된다.
도 6을 참조하면, 소스 용기 어셈블리(640)는 일반적으로 소스 용기(641), 온도 제어기(642), 유입 포트(645) 및 유출 포트(646)를 포함한다. 소스 용기(641)는 프로세싱 용기(630)에서 생성된 루테늄 테트록사이드를 수집 및 보유하도록 적응된다. 소스 용기(641)는 일반적으로 글라스, 세라믹, 플라스틱(가령, 테프론, 폴리에틸렌 등), 또는 루테늄 테트록사이드와 반응하지 않고 바람직한 열 쇼크 및 기계적 특성을 갖는 다른 물질로 라이닝, 코팅, 또는 제조된다. 사용할 때 온도 제어기(642)는 소스 용기(641)를 약 20℃ 미만의 온도로 냉각하여 소스 용기의 벽으로 루테늄 테트록사이드 가스를 응축시킨다. 온도 제어기(642)는 일반적으로 온도 제어기 디바이스(643) 및 열 교환 디바이스(644)를 포함하며, 이들은 바람직한 프로세싱 온도에서 소스 용기(641)의 온도를 제어하도록 적응된다. 일 측면에서, 열 교환 디바이스(644)는 소스 용기(641)를 가열 및 냉각하도록 적응된 온도 제어된 유체 열 교환 디바이스, 저항성 가열 디바이스 및/또는 열전쌍 디바이스이다.
도 7은 기판의 표면상에 루테늄 함유층을 형성하기 위한 본원에 기재된 일 실시예에 따른 프로세스(700)를 도시한다. 프로세스(700)는 단계(702-706)를 포함하며, 루테늄 함유층은 기판의 표면에 직접 증착된다. 프로세스(700)의 제 1 프로세스 단계는 루테늄 테트록사이드 가스를 형성하고 소스 용기(641)에 생성된 가스를 수집하는 단계를 포함한다. 프로세스 단계 702에서, 오존 발생기(612)에서 생성된 오존은 프로세싱 용기(631)에 포함된 루테늄 소스로 전달되어 루테늄 테트록사이드 함유 가스의 흐름을 형성하고, 이는 소스 용기(641)에 수집된다. 따라서, 프로세스 단계 702 동안 오존 함유 가스는 루테늄 소스를 가로질러 흘러가며, 이는 루테늄 테트록사이드가 유동하는 가스에 의해 형성되고 쓸려가게 한다. 이 프로세스 동안 가스 흐름 경로는, 오존 발생기(612)로부터, 유입 포트(635) 내부를 지나, 루테늄 소스(항목 "A")를 가로질러, 용기(631) 내부의 유출 포트(636)를 통해, 프로세스 라인(648)을 통과하여 밀폐된 소스 용기(641)로 가게 된다. 일 실시예에서, 루테늄 테트록사이드 함유 가스를 도입하기 전에, 종래의 진공 펌프(652)(가령, 종래의 러프(rough) 펌프, 진공 이젝터(ejector))를 이용하여 소스 용기(641)를 배기시키는 것이 바람직할 수 있다. 일 측면에서, 순수한 산소와 오존, 또는 불활성 가스 희석된 산소 함유 가스와 오존을 포함하는 오존 함유 가스를 형성하기 위해 가스 소스(611A)가 사용된다. 프로세스 단계 702의 일 측면에서, 용기(631)에 포함된 루테늄 소스(항목 "A")는 약 0 내지 약 100℃, 보다 바람직하게는 약 20 내지 약 60℃의 온도에서 유지되어, 용기(631) 내부의 루테늄 테트록사이드 형성 프로세스를 향상시킨다. 더 낮은 루테늄 테트록사이드 발생 온도가 일반적으로 바람직하지만, 루테늄 테트록사이드 가스를 형성하는 데 필요한 온도는 프로세싱 동안 용기(631)에 포함된 습도의 양에 다소 의존한다고 믿어진다. 프로세스 단계 702 동안, 소스 용기(641)는 발생된 루테늄 테트록사이드가 소스 용기(641)의 벽에서 응축되거나 결정화(또는 응고)될 수 있는 압력에서 약 25℃ 미만의 온도로 유지된다. 예를 들어, 소스 용기(641)는 약 5 Torr의 압력 및 약 -20 내지 약 25℃의 온도에서 유지된다. 루테늄 테트록사이드를 냉각시키고 이를 소스 용기(641)의 벽에 응축 또는 응고되게 함으로써, 루테늄 테트록사이드 함유 가스내의 원치 않는 산소(O2) 및 오존(O3) 함유 성분들이 제 2 프로세스 단계 704에서 분리되어 제거될 수 있다. 일 측면에서, 소정량의 물, 또는 물 함유 가스를 용기(631)로 주입하여 루테늄 테트록사이드 발생 프로세스를 촉진하는 것이 바람직할 수 있다. 물의 주입은 가령 루테늄 소스가 나트륨 과루테늄산염(perruthenate) 또는 칼륨 과루테늄산염을 포함할 때, 루테늄 소스로부터 루테늄 테트록사이드의 분해를 향상시키는 데 중요할 수 있다. 일 측면에서, 용해 프로세스가 수행된 후, 종래의 물리적 분리(가령, 분자체(molecular sieve)) 프로세스에 의해 잉여의 물을 제거하는 것이 바람직할 수 있다.
제 2 프로세스 단계 704, 즉 정화 단계는, 원치 않는 산소(O2) 및 원치 않는 오존(O3) 성분들을 루테늄 테트록사이드 함유 가스로부터 제거하도록 설계된다. 도 6을 참조하면, 소스 용기(641)의 벽이 25℃의 온도에서 유지되는 동안, 오존 격리 밸브(612A)를 닫고 하나 이상의 정화 가스들을 하나 이상의 가스 소스들(611B-C)로부터 프로세싱 용기(630)를 통해서, 프로세스 라인(648)로, 또한 소스 용기(641)를 통하고 그 후 배기 라인(651)을 통해서 배기 시스템(650)으로 흘려보냄으로써 제 2 프로세스 단계 704가 완결된다. 프로세스 단계 704의 완결 중에 낭비되는 응고되지 않거나 응축되지 않은 루테늄 테트록사이드의 양은 루테늄 테트록사이드를 응축 또는 응고시킬 수 있도록 프로세스 단계 702와 프로세스 단계 704 사이에 소기의 길이의 대기 단계를 부가함으로써 최소화될 수 있다. 낭비되는 응고되지 않거나 응축되지 않은 루테늄 테트록사이드의 양은 응고의 속도를 증가시키기 위해 소스 용기 벽 온도를 낮추는 것 및/또는 벽과 루테늄 테트록사이드 함유 가스의 반응을 증가시키기 위해 소스 용기의 표면적을 증가시키는 것에 의해서도 추가로 감소될 수 있다. 하나 이상의 가스 소스들(611B-C)로부터 전달되는 정화 가스들은 예를 들어, 질소, 아르곤, 헬륨, 또는 다른 건식 및 세정 프로세스 가스일 수 있다. 원치 않는 산소(O2) 및 원치 않는 오존(O3) 성분들이 기판의 조출된 표면의 원치않는 산화를 발생시킬 수 있기 때문에, 이러한 성분들을 제거하는 프로세스는 루테늄 증착 프로세스의 성공에 중요할 수 있다. 이러한 원치 않는 산소(O2) 및 원치 않는 오존(O3) 성분들의 제거는 특히 루테늄 테트록사이드가 결과적으로 전달되어야 하는 물질들이 구리와 같이 쉽게 산화되는 물질인 경우 특히 중요하다. 구리와, 산소에 대한 큰 친화를 갖는 다른 물질들은 이러한 산화 종들의 존재하에 쉽게 부식될 것이다. 일 실시예에서, 프로세스 단계 704는 산소(O2) 및/또는 반응하지 않은 오존(O3)의 농도가 약 100 파트 퍼 밀리온(parts per million, ppm) 미만이 될 때까지 완결된다. 일 측면에서, 프로세스 단계 704 동안 형성된 루테늄 테트록사이드 모두가 프로세싱 용기(630)으로부터 제거 되었음을 보장하기 위하여 약 20 내지 25℃의 온도로 용기(631)를 가열하는 것이 바람직할 수 있다.
일 측면에서, 정화 프로세스(단계 704)는 오염을 제거하기 위하여 진공 펌프(652)를 사용하여 소스 용기(641)를 배기함으로써 완결된다. 이 단계 동안 상당한 양의 루테늄 테트록사이드가 소스 용기 어셈블리(640)로부터 제거되는 것을 방지하기 위하여, 용기의 온도 및 압력이 기화로 인한 손실을 최소화하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 소스 용기 어셈블리가 약 0℃ 미만의 온도에서 유지되고 있는 동안, 약 5Torr의 압력으로 소스 용기 어셈블리(640)를 펌핑하는 것이 바람직할 수 있다.
일 실시예에서, 제 3 프로세스 단계 706, 즉 루테늄 테트록사이드를 프로세싱 챔버(603)로 전달하는 단계는 소스 용기(641)가 정화되고 밸브(637A)가 닫혀서 프로세싱 용기(630)로부터 소스 용기(641)를 격리시킨 후에 완결된다. 프로세스 단계 706은 소스 용기(641)가 응측되거나 응고된 루테늄 테트록사이드가 루테늄 테트록사이드 가스를 형성시키는 온도로 가열될 때 시작되며, 이 때 하나 이상의 가스 소스들(611)(가령, 항목 611D 및/또는 611E)), 상기 가스 소스들과 연관된 격리 밸브(가령, 항목 638 및/또는 639) 및 프로세스 챔버 격리 밸브(661)가 개방되고 이는 루테늄 테트록사이드 함유 가스가 유입 라인(426)을 지나, 샤워헤드(410)를 통과하여, 프로세스 영역(427)으로, 그리고 온도 제어되는 기판(422) 흘러가게 하므로, 루테늄 함유층이 기판(23)의 표면에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 소스 용기(641)는 약 0 내지 약 50℃의 온도로 가열되어 응축되거나 응고된 루테늄 테트록사이드가 루테늄 테트록사이드 가스를 형성하게 한다. 주의하여야 할 것은, 약 5℃와 같은 낮은 온도에서 조차, 루테늄 테트록사이드 가스의 평형 부분 압력이 소스 용기(641)내에 존재할 것이라는 점이다. 따라서, 일 측면에서, 용기에 담겨 있는 루테늄 테트록사이드의 질량을 알고, 소스 용기(641)의 부피 및 압력을 알면, 반복 가능한 질량이 프로세싱 챔버(603)로 전달될 수 있다. 또 다른 측면에서, 원하는 농도의 루테늄 테트록사이드를 갖는 가스를 형성하기 위하여 주어진 크기의 소스 용기(641)에 대한 주어진 온도에서 루테늄 테트록사이드의 승화 또는 증발 속도를 알고 원하는 속도로 캐리어 가스를 소스 용기(641)를 통해 흘려보냄으로써, 루테늄 테트록사이드 함유 가스의 연속적인 흐름이 형성되어 프로세싱 챔버(603)로 전달될 수 있다.
루테늄 테트록사이드 함유 층을 비 선택적으로 기판의 표면에 증착하기 위하여, 180℃를 초과하는 온도에서는 루테늄 테트록사이드(RuO4)가 열역학적으로 안정한 루테늄 이산화물(RuO2)로의 자발적인 분해를 겪고, 수소(H2)가 존재하는 약간 더 높은 온도에서는, 증착은 금속 루테늄 층을 형성하는 원하는 결과로 직접 진행한다고 믿어진다. 반응에 대한 균형잡힌 방정식은 식 (4)로 기재된다.
RuO4 + 4H2 → Ru(금속) + 4H2O (4)
따라서, 본 발명의 일 측면에서, 프로세스 단계 706 동안, 온도 제어된 기판 지지부(623)의 이용에 의해, 약 180 ℃ 이상의 온도, 더욱 바람직하게는 약 180 내지 약 450 ℃의 온도, 더욱 바람직하게는 약 200 내지 약 400 ℃의 온도에서 기판 표면이 유지된다. 금속 루테늄 층을 형성하기 위하여, 온도는 약 300 내지 약 400 ℃일 수 있다. 일반적으로, 프로세싱 챔버 압력은 약 10 Torr 미만, 바람직하게는 약 500 milliTorr (mT) 내지 약 5 Torr의 압력으로 유지된다. 기판 표면의 온도를 제어함으로써, 증착된 루테늄 함유층의 선택성 및 증착된 루테늄 함유층의 결정 구조는 원하는 대로 조정되고 제어될 수 있다. 결정 루테늄 함유층은 350℃를 초과하는 온도에서 형성될 것이라고 믿어진다.
프로세스 단계 706의 일 측면에서, 질소 함유 가스가 가스 소스(611D)로부터 전달되고, 수소(H2) 함유 가스(가령, 수소(H2), 하이드라진(N2H4))가 가스 소스(611E)로부터 소정량의 루테늄 테트록사이드를 함유하고 있는 소스 용기 어셈블리(640)를 통해서 그 후 프로세싱 챔버(603)를 통해서 전달될 때, 루테늄 테트록사이드 함유 가스가 형성된다. 예를 들어, 100 sccm의 질소 및 100 sccm의 H2 가스가 약 0.1 내지 약 10 Torr, 더욱 바람직하게는 약 2 Torr의 압력에서 유지되는 프로세싱 챔버(603)로 전달된다. 가스 소스(611)(가령, 항목 611D-E)로부터 전달되는 가스들의 원하는 유속은 루테늄 테트록사이드 함유 가스에서의 루테늄 테트록사이드의 원하는 농도 및 소스 용기(641)의 벽으로부터의 루테늄 테트록사이드의 증발 속도에 의존한다.
일 실시예에서, 금속 루테늄 층을 형성하는 프로세스를 향상시키기 위하여 원격 플라즈마 소스(670)가 프로세스 단계 706 동안 이용된다. 이 경우, 원격 플라즈마 챔버에서 생성된 수소 라디컬들이 프로세싱 영역(427)으로 주이보디어 기판 표면에 증착된 루테늄의 표면상의 임의의 형성된 산화물들을 환원시킨다. 일 측면에서, 루테늄 테트록사이드 함유 가스가 프로세싱 영역(427)에 전달될 때, RPS가 수소 라디컬을 생성하기 위해 사용된다. 또 다른 측면에서, 각각의 연속된 루테늄의 단층이 형성된 이후에 RPS가 유일하게 사용되고, 따라서 증착 단계 및 그 후의 루테늄 층의 환원 단계로 이루어진 2 단계 프로세스를 형성한다.
프로세스 단계 706의 일 실시예에서, 프로세싱 챔버(603)에서 생성되고 분산된 루테늄 테트록사이드 가스의 양이 모니터링되고 제어되어 프로세스가 반복가능하고, 프로세스 챔버 요소들의 완벽한 포화가 얻어지고, 원하는 두께의 루테늄 함유막이 증착되었음을 보장한다. 일 측면에서, 프로세스 챔버로 전달된 루테늄 테트록사이드의 양은 종래의 전자 스케일, 로드 셀, 또는 다른 중량 측정 디바이스을 이용함으로써 시간의 함수로써 소스 용기(641)의 중량에서의 변화를 측정함으로써 모니터링된다.
일 실시예에서, 가스 전달 시스템(601)은 기판 표면에 루테늄 함유층을 형성하기 위하여 프로세싱 챔버(603) 및 기판에 단일 양(single dose), 또는 다량의 루테늄 테트록사이드를 전달하도록 적응된다. 또 다른 실시예에서, 다층 루테늄 함유층을 형성하기 위하여 프로세싱 챔버(603)에 다중의 순차적인 양의 루테늄 테트록사이드가 전달된다. 다중의 순차적인 양의 루테늄 테트록사이드를 수행하기 위하여, 적어도 하나의 프로세스 단계 702 내지 706이 다수회 반복되어 다층 루테늄 함유막을 형성한다. 또 다른 실시예에서, 소스 용기(641)의 표면적과 프로세스 단계 702의 길이는 모두 루테늄 함유층 증착 프로세스 동안 기판 표면을 가로질러 원하는 농도의 루테늄 테트록사이드 함유 가스의 연속적인 흐름을 가능하게 하는 크기이다. 기판 표면을 가로지르는 가스 흐름 분포는 프로세싱 챔버에서 처리되는 기판들 상부에서의 균일한 층들의 형성에 중요할 수 있고, 특히, 질량 이송이 제한된 반응들(CVD 유형 반응들)에 의해 지배되는 프로세스들과, 반응 속도가 제한된 증착에 대해 신속한 표면 포화가 요구되는 ALD 유형 프로세스들에 대해 특히 중요할 수 있다. 따라서, 샤워헤드(410)의 이용에 의한 기판 표면을 가로지르는 균일한 가스 흐름의 사용은 기판 표면을 가로지르는 균일한 프로세스 결과를 보장하기 위해 중요할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 루테늄 테트록사이드의 덩어리(mass)를 프로세싱 챔버(603)로 전달하는 프로세스는 종래의 ALD 또는 CVD 유형 프로세스들에 비해 장점을 가질 수 있는 데, 그 이유는 ALD 또는 CVD 전구체(들)에서 발견되는 유기 물질이 루테늄 함유층에 존재하지 않고 따라서 성장하는 루테늄 함유층에 일체화되지 않을 것이기 때문이다. 성장하는 루테늄 함유층에 유기 물질이 일체화되면 전기 저항, 접착 및 응력 이동 및 형성된 디바이스(들)의 전자이동 특성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한, 루테늄 테트록사이드 분자의 크기는 전통적인 루테늄 함유 전구체들보다 훨씬 작기 때문에, 루테늄 테트록사이드를 이용한 ALD 사이클 당 루테늄 함유층 증착 속도는 ALD 사이클 당 개선된 루테늄 커버리지로 인해 종래의 전구체들에 대해 증가될 것이다.
일 측면에서, 불활성 가스 소스(674) 및/또는 투입(dosing) 용기(662)가 사용되어 루테늄 테트록사이드 함유 가스를 프로세스 영역(427)으로 "투입(dose)"하거나 "펄스화(pulse)"하여 가스는 기판 표면을 포화시킬 수 있다(가령, ALD 유형 프로세스). "투입(dose)" 또는 "투입 프로세스"는 원하는 양의 루테늄 함유층이 프로세싱 챔버(603)로 주입될 수 있도록 원하는 주기의 시간동안 여러 격리 밸브를 개폐함으로써 수행된다. 일 측면에서, 투입 프로세스 동안 어떠한 불활성 가스도 가스 소스(674)로부터 투입 용기(662)로 전달되지 않는다.
또 다른 일 실시예에서, 실온에서 루테늄 테트록사이드를 형성하기 위하여 과요오드화 칼륨(KIO4) 및 DI 물(water)과 혼합된 루테늄 이산화물 하이드레이트(RuO2·H2O)를 이용하여 루테늄 테트록사이드 함유 가스가 형성될 수 있다. 일 예에서, 약 0.3 g의 RuO2가 2.0 g의 KIO4 및 50 ml의 Dl 물을 포함하는 Pyrex® 글라스 버블러(glass bubbler)에 실온에서 부가되어, 혼합을 통해 거품이 생긴 공기의 흐름내에 운반된(entrained) 루테늄 테트록사이드 함유 가스를 형성한다. 일부 경우에는, 루테늄 함유 가스내에 있는 모든 운반된 물 증기를 종래의 물리적 분리(가령, 분자체), 냉각 트랩(cold trap) 또는 다른 종래 방식을 이용하여 분리하는 것이 바람직할 수 있다.
루테늄 테트록사이드가 기판의 모든 표면을 둘러싸도록 프로세싱 챔버의 프로세싱 영역에 기판을 배치하고, 그 후 기판을 루테늄 테트록사이드에 노출시킴으로써 기판의 모든 표면에 루테늄 함유층을 증착하기 위해 본원에 기재된 하나 이상의 프로세스들이 사용될 수 있음에 주의하여야 한다. 종래의 RF 유도 가열은 프로세싱 챔버의 프로세싱 영역에서 기판의 온도를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
루테늄/탄탈 층
일 측면에서, 코팅(20)에 포함된 하나 이상의 층들은, 가령 루테늄 및 탄탈 합금과 같은 둘 이상의 요소들을 포함하는 층을 증착하기 위해 사용되는 PVD 증착 프로세스를 이용하여 증착된다. 루테늄 및 탄탈 합금들이 유용한데, 그 이유는 이들이 순차적으로 증착된 층들의 확산을 저지하고, 순차적인 코팅 층들의 직접적인 무전해 및/또는 전기화학 도금에 적절한 표면을 상부에 제공하는 결합된 장점들을 가지기 때문이다. 따라서, 본 발명의 일 측면에서, 코팅(20)은 루테늄과 밸런스(balance) 탄탈을 약 70 원자 % 내지 약 95 원자 %로 포함하는 Ru-Ta 합금을 포함한다. 또 다른 측면에서, 코팅(20)은 루테늄과 밸런스 탄탈을 약 70 원자 % 내지 약 90 원자 %로 포함하는 Ru-Ta 합금을 포함하는 것이 바람직하다. 또 다른 측면에서, 코팅(20)은 루테늄과 밸런스 탄탈을 약 80 원자 % 내지 약 90 원자 %로 포함하는 Ru-Ta 합금을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 일 측면에서, 기판에 순수한 탄탈의 영역을 포함하지 않는 Ru-Ta 합금을 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 일 측면에서, PVD 타입 증착 프로세스가 루테늄과 밸런스 탄탈을 약 90 원자 % 포함하는 Ru-Ta 합금을 포함하는 코팅(20)을 증착하기 위해 사용된다(가령, 0.9Ru:0.1Ta).
루테늄 전구체를 이용한 증착
일 실시예에서, 반도체 웨이퍼들 상에 루테늄 함유층들을 증착하기 위해 일반적으로 사용되는 종래의 루테늄 전구체 물질에 기판 표면을 노출시킴으로써 기판 표면 상부에 루테늄 함유층을 증착하는 것이 바람직하다. 루테늄층은 순환(cyclical) 증착 프로세스 또는 종래의 CVD 타입 프로세스를 이용하여 증착될 수 있다. 순환 증착 프로세스는 기판 구조상에 루테늄 함유 전구체와 환원 가스를 교대로 흡수하는 것을 포함한다. 프로세싱 동안, 루테늄 함유 전구체와 환원 가스(가령, 수소 (H2), 암모니아 (NH3))는 기판상에 루테늄층을 형성하기 위한 반응을 겪는다. 일반적으로, 루테늄 층 증착을 위해서, 기판은 약 500 ℃ 미만, 바람직하게는 약 200 내지 약 400℃, 예를 들면, 약 300℃의 온도에서 유지되어야 한다. 증착 프로세스 동안의 프로세스 챔버 압력은 약 0.1 Torr 내지 약 80 Torr로 유지될 수 있다. 일반적으로 몇몇 유용한 루테늄 전구체들은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 가령 비스(에틸시클로펜타디에닐)루테늄, 비스(시클로펜타디에닐)루테늄 비스(펜타메틸싸이클로펜타디에닐)루테늄, 메틸싸이클로펜타디에닐 피롤릴 루테늄, 및 디카르보닐비스(N,N'-Di-Tert-부틸아세타민디나토) 루테늄(II)를 포함한다.
촉매 증착 및/또는 보호 코팅 프로세스
일 실시예에서, 루테늄 함유층은 조립된 연료 전지에서 유체 채널들(161 및 171)내의 모든 노출된 표면들에 증착된다(도 1 및 2에 도시). 노출된 표면들은 일반적으로 기판(23) 표면에 형성된 유동 채널들 및 그루브들과 애노드 촉매 영역(120) 및 캐소드 촉매 영역(130)의 표면들을 포함한다. 일 측면에서, 루테늄 함유층의 증착은 애노드 촉매 영역(120) 및/또는 캐소드 촉매 영역(130)의 표면들에서 발생하는 촉매 반응들을 개선하기 위한 것이다. 증착된 루테늄 층은 따라서 1) 손상되거나 불연속된 코팅을 고치고, 2) 조립된 연료 전지 요소들의 화학적 공격을 추가로 방지하고, 3) 또한 연료 전지의 전극 부분에 배치된 하나 이상의 촉매 물질들의 촉매 효율을 향상하는 것을 돕기 위해, 사용될 수 있다.
루테늄을 유체 채널들(161 및 171) 내의 모든 노출된 표면들상에 증착하기 위해서, 일 실시예에서, 프로세스 단계 706은 유체 채널들(161 및 171) 내부의 노출된 요소들로 루테늄 테트록사이드를 전달하기 위해 사용된다. 이 프로세스에서, 소정량의 루테늄 테트록사이드 가스가 생성되고 원하는 두께의 루테늄 코팅막(가령, 금속 루테늄 또는 루테늄 이산화물)이 증착되었을 때까지, 원하는 온도로 유지되는 유체 채널들(161 및 171)의 하나 또는 모두로 디스펜스된다. 일 측면에서, 유체 채널들(161 및 171)로 전달된 루테늄 테트록사이드의 양은 종래의 전자 스케일, 로드 셀, 또는 다른 중량 측정 디바이스을 이용함으로써 시간의 함수로써 소스 용기(641)의 중량에서의 변화를 측정함으로써 모니터링된다. 하나 이상의 연료 전지 요소들을 원하는 온도로 가열함으로써 원하는 특성을 갖는 루테늄 함유층이 선택적으로 또는 비 선택적으로 하나 이상의 원하는 표면들에 대해 증착될 수 있다.
루테늄 테트록사이드 함유 가스를 이용하여 낮은 증착 농도(가령 < 200)에서 루테늄 층을 선택적으로 또는 비선택적으로 증착할 수 있는 능력으로 인하여, MEA의 애노드 또는 캐소드 표면들을 보다 전도성으로 만들고/만들거나 촉매층을 형성하기 위해 유체 채널들에 포함된 표면들상에 루테늄 금속 및/또는 루테늄 이산화물을 증착하기 위해 사용될 수 있는 방법을 유일하게 제공한다고 믿어진다. 일 측면에서, 100 ℃미만의 온도에서 선택적인 증착 프로세스가 MEA 구조의 바람직한 표면들상에 루테늄 이산화물(RuO2)을 형성하기 위해 사용된다. 루테늄 이산화물의 MEA의 기판 표면으로의 증착은 산소가 양자와 반응하는 캐소드에서의 반응을 촉진하는 프로세스를 증진시키기 위해 사용될 수 있다. 더 높은 온도의 CVD 타입 증착 프로세스들과 대비하여, 낮은 온도 증착 방법들은 MEA의 전극 표면들에 일반적으로 사용되는 다공성 탄소 섬유상의 다공성 코팅에 이를 수 있다. 저온 프로세스 중에 발생하는 반응은 MEA의 표면에 있는 탄소의 일부가 RuO2 층으로 대체되게 한다. 예를 들어, 반응에 대한 균형 방정식이 방정식 (5)에 기재된다.
RuO4 + C → RuO2 + CO2 (5)
금속 루테늄 층은 환원 가스의 존재하에 250℃를 초과하는 온도에서 MEA의 표면에 있는 탄소에 증착될 수 있다. 예를 들어, 반응에 대한 균형 방정식이 방정식 (6)에 기재된다.
RuO4 + C + 2H2 → Ru + CO2 + 2H2O (6)
도 8A 및 8B는 루테늄 층(가령, 층 801 또는 층 802) 애노드 촉매 영역(120) 또는 캐소드 촉매 영역(130)의 표면상에 증착되는 연료 전지의 활성 영역(140)의 단면도를 도시한다. 도 8A에서, 루테늄 테트록사이드 함유층은 유체 채널(171)을 통해 전달되고 노출된 MEA 표면상에 층(801)을 형성하도록 캐소드 촉매 영역(130)의 표면과 반응하게 된다. 일 측면에서, 층(801)은 캐소드에서의 촉매화 반응(catalyzing reaction)을 증진시키고/시키거나 MEA의 캐소드 부분의 전도성을 증가시키도록 증착된 다공성 루테늄 이산화물 층이다.
도 8B는 MEA의 애노드 부분의 표면에 증착된 루테늄 함유층(가령 층(802))을 갖는 연료 전지를 도시한다. 층(802)은 애노드 촉매 영역의 표면과 반응할 수 있도록 유체 채널(161)을 통해 루테늄 테트록사이드 함유 가스를 전달함으로써 증착되었다. 일 측면에서, 층(802)은 250℃를 일반적으로 초과하는 온도에서 유지된 MEA의 표면에 환원 가스(가령, 수소)의 존재하에 루테늄 테트록사이드를 전달함으로써 증착된 다공성 금속 루테늄 층이다. 금속 루테늄 막의 증착은 애노드에서의 촉매화 반응을 촉진하고/하거나 MEA의 캐소드 부분의 전도성을 증가시킬 것이다. 또 다른 측면에서, 층(802)은 애노드에서의 촉매화 반응을 촉진하고/하거나 MEA의 캐소드 부분의 전도성을 증가시키도록 증착된 다공성 루테늄 이산화물 층이다.
MEA 또는 MEA 요소들의 루테늄 처리
일 실시예에서, 연료 전지의 애노드 촉매 영역(120) 및/또는 캐소드 촉매 영역(130)은 차아인산(H3PO2)을 표면에 부가하고 처리된 표면을 루테늄 테트록사이드(RuO4)로 노출시킴으로써 멤브레인(110)의 원하는 영역에 증착된, 루테늄(Ru) 및/또는 루테늄 이산화물(RuO2)을 함유하는 층, 또는 Ru 및/또는 RuO2 접착 입자들로 코팅된다. 차아인산은 다양한 원하는 표면들에 선택적으로 부가될 수 있는 수용성 용액으로써 상업적으로 이용가능하다. 일 예에서, 소량의 차아인산(가령, ppm 범위)이 멤브레인(110) 또는 다공성 전극 표면에 인산 전해질로 부가될 수 있다. 일 실시예에서, 증착된 루테늄의 양을 제어하기 위하여 원하는 양의 차아인산을 포함하는 소정량의 용액을 전달하는 것이 바람직하다. 전술한 것처럼, 멤브레인(110)의 애노드 촉매 영역(120) 및/또는 캐소드 촉매 영역(130)의 가스 투과가능한 영역은, 탄소 페이퍼 또는 의류 기반의 섬유, 흑연 물질, 또는 미세한 그물로 된 귀금속 스크린, 폼(foam), 중합체 물질 또는 다른 물질들로 제조된다. 일 예에서, 멤브레인(110) 및 가스 투과가능한 영역은 가령 폴리벤지미다졸(PBI) 멤브레인 물질과 같은 중합체 물질로 제조된다. 차아인산의 루테늄 테트록사이드와의 반응은 일반적으로 방정식(7)에 기재된 방정식을 따른다.
RuO4 + H3PO2 → RuO2 + H3PO4 (7)
RuO2 층의 형성은 실온에서 수행될 수 있는데, 그 이유는 차아인산이 루테늄 테트록사이드에 대한 매우 강한 환원제이기 때문이다. RuO2 형성된 층은 그 후 방정식 (4)와 관련하여 전술된 수소 가스와 같은 환원제에 RuO2 층을 노출시킴으로써 금속 루테늄을 형성하도록 추가로 환원될 수 있다. 일 측면에서, 멤브레인(110)의 가스 투과 영역(들)은 희석한 차아인산 함유 용액으로 선택적으로 커버된 후 연료 전지(100)의 조립 이전에 상부에 증착된 가령 RuO2와 같은 루테늄 함유층을 구비하는 영역을 형성하도록 루테늄 테트록사이드 함유 가스에 노출된다.
또 다른 실시예에서, 인산 전해질을 포함하는 PAFC 전지에 있는 멤브레인(110)은 가령 RuO2와 같은 루테늄 함유층이 멤브레인(110)의 막에 형성될 수 있게 하는 루테늄 테트록사이드 함유 가스에 노출된다. 일 예에서, RuO2 층은 실온 근처의 온도에서 인 함유 전해질이 스며든 폴리벤지미다졸(PBI) 멤브레인상에 증착된다. 또 다른 예에서, RuO2 층은 약 160℃의 동작 온도 근처의 온도에서 인 함유 전해질이 스며든 폴리벤지미다졸(PBI) 멤브레인상에 증착된다.
또 다른 실시예에서, 소량의 차아인산(가령, ppm 범위)을 포함하는 인산 전해질을 포함하는 멤브레인(110)을 구비하는 약간 수정된 PAFC 셀은, 가령 RuO2와 같은 루테늄 함유층이 멤브레인(110)의 표면에 형성될 수 있게 해주는 루테늄 함유 가스에 노출된다. 일 예에서, 증착 프로세스는 약 160℃의 일반적인 PAFC 연료 전지 동작 온도에서 수행될 수 있다. 또 다른 예에서, 루테늄 함유층 증착 프로세스는 대략 실온에서 수행된다. 일 측면에서, 멤브레인(110)은 PAFC 셀이 완전히 조립될 때 루테늄 함유층으로 코팅될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 애노드 촉매 영역(120) 및/또는 캐소드 촉매 영역(130)의 적어도 일부를 이후에 형성하기 위해 사용되는 탄소 함유 성분은, MEA 구조내에서 조립되기 전에, 상술한 방정식 (5) 또는 (6)에 기재된 반응을 따라서, 루테늄 함유층으로 코팅된다. 이러한 구조는 따라서 촉매 영역들 사이의 전기 단락의 생성, 및/또는 조립된 멤브레인(110) 내부의 공극 구조에 대한 저지 또는 손해를 방지하기 위하여 MEA 구조의 완전한 조립 이전에 촉매 표면(들) 상에 루테늄 함유층의 증착을 가능하게 한다.
전술한 것은 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 다른 추가적인 본원 발명의 실시예들이 그 기본적인 범위를 일탈함이 없이 개조될 수 있고, 그 범위는 다음의 특허청구범위에 의해 결정된다.

Claims (26)

  1. 조립된 연료 전지내에 유체 채널의 일부를 형성하도록 구성된 표면을 가진 기판; 및
    상기 표면 위로 상기 표면을 덮게 배치된 금속성 루테늄 함유층
    을 포함하는, 연료 전지용 전극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면은 실리콘이거나 또는 도핑된 실리콘인, 연료 전지용 전극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 금속성 루테늄 함유층과 상기 표면 사이에 배치되는 제 1 층을 더 포함하며,
    상기 제 1 층은 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 티타늄 질화물(TiN), 플래티늄(Pt), 팔라듐(Pd), 탄탈(Ta), 탄탈 질화물(TaN), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 레늄(Rh), 및 코발트(Co)로 이루어진 그룹에서 선택된 물질을 포함하는, 연료 전지용 전극.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 금속성 루테늄 함유층 위에 배치된 접촉층을 더 포함하며,
    상기 접촉층은 금, 은, 플래티늄, 팔라듐, 이리듐, 오스뮴, 로듐, 및 레늄으로 이루어진 그룹에서 선택된 물질을 포함하는, 연료 전지용 전극.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 연료 전지의 캐소드 영역의 일부를 형성하는 촉매 표면을 갖는 이온 교환 멤브레인을 더 포함하며,
    상기 캐소드 영역은 상기 금속성 루테늄 함유층과 전기적으로 소통하며, 상기 촉매 표면은 루테늄 이산화물(RuO2)을 포함하는, 연료 전지용 전극.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전극은,
    조립된 연료 전지내에 유체 채널의 일부를 형성하도록 구성된 표면을 갖는 제 2 기판; 및
    상기 제 2 기판의 상기 표면 위로 배치되는 제 2 금속성 루테늄 함유층을 더 포함하며,
    상기 제 2 금속성 루테늄 함유층은, 상기 연료 전지의 동작 동안 상기 제 2 기판의 상기 표면의 부식을 방지하도록 구성되며, 상기 이온 교환 멤브레인의 일부에 배치된 제 2 촉매 표면과 전기적으로 소통하는, 연료 전지용 전극.
  7. 연료 전지로서,
    제 1 촉매 표면 및 제 2 촉매 표면을 갖는 멤브레인을 포함하는 멤브레인 전극 어셈블리;
    상부에 제 1 코팅이 배치된 하나 이상의 표면들을 갖는 제 1 전도성 플레이트 ― 상기 제 1 코팅은 상기 제 1 촉매 표면과 전기적으로 소통함 ―;
    상부에 제 2 코팅이 배치된 하나 이상의 표면들을 갖는 제 2 전도성 플레이트 ― 상기 제 2 코팅은 상기 제 2 촉매 표면과 전기적으로 소통하며, 상기 제 2 코팅은 상기 제 2 전도성 플레이트의 상기 하나 이상의 표면들 위로 상기 제 2 전도성 플레이트의 상기 하나 이상의 표면들을 덮게 배치되는 금속성 루테늄 함유층을 포함하며, 상기 제 2 전도성 플레이트의 상기 하나 이상의 표면들의 적어도 일부는 실리콘이거나 또는 도핑된 실리콘임 ―
    를 포함하는, 연료 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 상기 제 2 전도성 플레이트의 상기 표면 위 및 상기 금속성 루테늄 함유층 아래에 배치되는 제 1 층을 더 포함하는, 연료 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 티타늄 질화물(TiN), 플래티늄(Pt), 팔라듐(Pd), 탄탈(Ta), 탄탈 질화물(TaN), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 레늄(Rh), 및 코발트(Co)로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질을 포함하는, 연료 전지.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 전도성 플레이트들은 분리 플레이트들, 바이폴라 플레이트들, 단부 플레이트들 및 이들의 조합들로 이루어진 그룹에서 선택되는, 연료 전지.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 플레이트는 알루미늄, 티타늄, 및 스테인레스 스틸로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질을 포함하는, 연료 전지.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 상기 제 2 코팅 위에 배치되는 접촉층을 더 포함하며,
    상기 접촉층은 금, 은, 플래티늄, 팔라듐, 이리듐, 오스뮴, 로듐, 및 레늄으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질을 포함하는, 연료 전지
  13. 연료 전지를 형성하는 방법으로서,
    기판의 표면상에 형성되는 하나 이상의 채널들의 적어도 일부 위로 제 1 층을 증착하는 단계 ― 상기 하나 이상의 채널들은 형성되는 연료 전지의 활성 영역으로 연료를 전달하도록 구성됨 ―; 및
    상기 표면을 덮기 위해 상기 제 1 층의 적어도 일부의 위로 금속성 루테늄 함유층을 증착하는 단계
    를 포함하는, 연료 전지를 형성하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈, 탄탈 질화물, 니켈, 루테늄, 코발트, 플래티늄, 팔라듐, 이리듐, 몰리브덴, 오스뮴, 로듐, 및 레늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는, 연료 전지를 형성하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속성 루테늄 함유층 위로 제 3 층을 증착하는 단계를 더 포함하며, 상기 제 3 층은 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 플래티늄, 은, 탄탈, 및 금으로 이루어진 그룹에서 선택되는, 연료 전지를 형성하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속성 루테늄 함유층은 루테늄 테트록사이드를 포함하는 가스에 상기 제 1 층의 적어도 일부를 노출시킴으로써 형성되는, 연료 전지를 형성하는 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 금속성 루테늄 함유층과 전기적으로 소통하도록 멤브레인 전극을 위치시키는 단계를 더 포함하는, 연료 전지를 형성하는 방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 층의 적어도 일부 위로 금속성 루테늄 함유층을 증착시키는 단계는:
    상기 제 1 층의 적어도 일부 위로 차아인산(hypophosphorous acid)을 포함하는 용액을 배치하는 단계; 및
    루테늄 테트록사이드를 포함하는 가스에 상기 제 1 층의 적어도 일부 및 상기 용액을 노출시키는 단계
    를 포함하는, 연료 전지를 형성하는 방법.
  20. 연료 전지를 형성하기 위해 사용되도록 기판의 표면을 처리하는 방법으로서,
    상기 연료 전지의 전극 영역의 촉매 표면과 소통하는 적어도 하나의 유체 채널을 갖는 연료 전지를 조립하는 단계; 및
    상기 유체 채널 또는 촉매 영역의 일부를 덮는 금속성 루테늄 함유층을 증착하기 위하여, 상기 연료 전지의 전극 영역의 촉매 표면 및 상기 유체 채널에 루테늄 테트록사이드를 포함하는 가스를 전달하는 단계
    를 포함하는, 기판의 표면을 처리하는 방법.
  21. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속성 루테늄 함유층은 루테늄 테트록사이드를 포함하는 가스에 상기 표면을 노출시킴으로써 형성되는, 연료 전지.
  22. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 상기 제 2 전도성 플레이트의 상기 하나 이상의 표면들과 상기 제 2 코팅 사이에 배치되는 제 3 코팅을 더 포함하며, 상기 제 3 코팅과 상기 하나 이상의 표면들 사이의 인터페이스에 배치되는 상기 제 3 코팅의 일부 실리사이드를 포함하는, 연료 전지.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 3 코팅은 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 코발트(Co)로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질을 포함하는, 연료 전지.
  24. 제 7 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 다수의 구멍들(pores)을 포함하는 표면을 갖는 탄소 함유 물질 및 상기 표면상에 배치되는 루테늄 이산화물을 더 포함하는, 연료 전지.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지용 전극은 상기 기판의 상기 표면과 상기 금속성 루테늄 함유층 사이에 배치되는 제 1 층을 더 포함하며, 상기 제 1층과 상기 표면 사이의 인터페이스에 배치되는 상기 제 1 층의 일부는 실리사이드를 포함하는, 연료 전지용 전극
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속성 루테늄 함유층은 루테늄 테트록사이드를 포함하는 가스에 상기 표면을 노출시킴으로써 형성되는, 연료 전지용 전극.
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