KR101446411B1

KR101446411B1 - 스테인레스스틸을 모재로 한 내식성 및 전도성 나노 카본 코팅 방법 및 그에 따른 연료전지분리판

Info

Publication number: KR101446411B1
Application number: KR1020130006803A
Authority: KR
Inventors: 영하 전; 재무 유; 여기호; 신의철
Original assignee: (주)제이 앤 엘 테크
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2014-10-07
Also published as: JP5833587B2; KR20140094736A; DE102013203080A1; JP2014141732A

Abstract

본 발명은 스테인레스스틸 모재 표면에 형성되어 있는 산화물 피막을 플라즈마 에칭으로 식각하여 표층을 활성화함과 동시에 전도성 저하 문제를 예방하고, 산화물 피막이 식각 된 면에 CrN, TiN과 같은 금속질화물을 나노사이즈 두께로 입히고, 여기에 카본 층을 나노사이즈 두께로 코팅하여 전도성과 내 부식성이 모두 우수한 코팅층을 높은 생산성으로 제조하였다.
본 발명에 따르면 연료전지 분리판, 전극재, 전도성과 내식성이 보강된 스테인레스스틸재 등을 양산성있게 제조할 수 있다.

Description

스테인레스스틸을 모재로 한 내식성 및 전도성 나노 카본 코팅 방법 및 그에 따른 연료전지분리판{METHOD FOR MANUFACTURING CORROSION RESISTANT AND CONDUCTIVE NANO CARBON COATING AND FUEL CELL BIPOLAR PLATE THEREBY}

본 발명은 스테인레스스틸을 모재로 하여 전도성과 내식성을 모두 구비하도록 특수 표면처리방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 나노 카본 코팅 방법에 관한 것이며, 그에 따라 제작되는 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 분리판, 전도성 및 내식성이 우수한 전극재 등의 제조에 관한 것이다.

스테인레스스틸은 매우 빈번하게 사용되는 재료로서, 이들에 대한 물성의 보완 또는 특정 물성의 강화로 더욱 다양하게 적용될 수 있는 소재이다. 특히, 연료전지분리판의 모재로서 주목받고 있으며, 내식성을 좀 더 강화하면 전극재로도 사용될 수 있다. 그외 물성의 보강을 요하는 경우가 다양한 활용차원에서 요구되기도 한다.

연료전지는 수소와 산소가 촉매 존재하에 반응하여 물과 에너지를 생성하는 연소 반응에 근거한 친환경 신 재생 에너지원 중 하나이다. 전기에너지를 특별한 공해 물질 없이 생성할 수 있으며, 발생 되는 열을 합하면 매우 고효율을 나타내는 장점도 지닌다.

이러한 연료전지에 필수적인 부품으로 연료전지 분리판이 있으며, 연료전지 분리판이 구비해야 하는 물성으로는, 강도, 내식성, 기체 차단성, 전도성 및 치수정밀도 등이 있다. 또한, 연료전지 자체의 실용성을 고려할 때, 연료전지 분리판은 양산에 적합한 제조공정설계를 요한다.

현재, 상기와 같은 요건에 맞추어 개발되고 있는 연료전지 분리판은 카본재에 수지코팅을 하는 것과 금속재에 표면처리를 하는 것으로 두 가지 모재를 중심으로 경쟁 발전하고 있으며 대한민국등록특허제10-1000697호는 스테인레스스틸재에 플루오르(F)를 함유한 카본 코팅을 이용하는 기술을 제시하고 있으며, JP 2010-287542 A는 스테인레스스틸재에 Cr 중간층을 코팅하여 전도성을 좋게 한 후 카본 층을 코팅하는 기술을 기재한다. 이러한 기술은 또한 카본층의 두께가 0.5μm 내지 2μm의 비교적 후막으로 실제 양산에 적용하기 어렵다.

스테인레스스틸을 모재로 할 경우, 내식성과 더불어 전도성 또한 우수하여야 하며, 이 두 가지 특성은 사실상 양립이 어려운 면이 있다. 기존에는 대개 스테인레스스틸 모재에 대하여 질화 처리로 표면 개질을 하는 것이 연구의 주류를 이루었으나, 비용면에서나 물성면에서 실용화할 만큼 만족스러운 결과를 얻지 못하고 있다.

비용면을 무시하고 물성의 개선에만 집중하여 스테인레스스틸에 금박을 입히는 골드 코팅을 시도하기도 하나, 이 역시 상용화하기는 어렵다.

도 1에는 스테인레스스틸에 대한 카본 코팅의 온도에 따른 접촉저항과 부식전류 측정 결과를 보여주며, 이 두 가지 물리량이 모두 낮아야 하는 연료전지 분리판은 양자를 최적화하는 코팅온도를 선택할 필요가 있다. 또한 도 2에는 카본 코팅의 막 두께에 따른 접촉저항과 부식전류 측정 결과를 보여주며, 막 두께가 증가할수록 접촉저항과 부식전류가 낮아짐을 알 수 있다. 그러나 막 두께의 증가를 두껍게 하는 것은 생산성을 저하시켜 양산에 문제가 되므로 막 두께를 얇게 하면서도 우수한 특성을 유지하는 방안이 필요하다.

한편, 스테인레스스틸의 경우, 내식성 향상을 위하여 첨가된 Cr이 산화물층으로 표면을 덮어 자연 피막을 형성하고 있어 이로 인한 코팅층의 밀착력 저하와 전도성 저하도 표면 처리에서 개선되어야 할 필요가 있다.

또한, 카본 코팅의 경우도 코팅 두께를 두껍게 하여 원하는 물성을 갖추게 할 경우는 양산성과 낮은 생산단가를 요하는 연료전지 분리판의 특성상 현실성이 떨어지는 문제가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 스테인레스스틸 모재에 카본 코팅을 하여 특성을 향상시키되, 내식성과 전도성의 향상은 물론, 코팅층의 밀착력을 좋게 하면서도 코팅층의 두께는 매우 얇은 나노사이즈의 박막으로 하여 생산성과 생산단가를 현실화할 수 있는 내식성 및 전도성 나노 카본 코팅 방법과 그에 따른 연료전지 분리판 등의 활용물품 및 그 제조방법을 제공하고자 함이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 스테인레스스틸 모재 표면에 형성되어 있는 산화물 피막을 플라즈마 에칭으로 식각하여 표층을 활성화함과 동시에 전도성 저하 문제를 예방하고, 산화물 피막이 식각 된 면에 CrN, TiN과 같은 금속질화물을 나노사이즈 두께로 입히고, 여기에 카본 층을 나노사이즈 두께로 코팅하여 전도성과 내 부식성이 모두 우수한 코팅층을 높은 생산성으로 제조하였다.

즉, 본 발명은,

스테인레스스틸 모재의 산화물 피막을 식각하는 단계;

산화물 피막이 식각 된 상기 모재 표면에 금속질화물 버퍼 층을 나노사이즈 두께로 증착하는 단계;및

상기 버퍼 층 위에 전도성 카본 층을 나노사이즈 두께로 증착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 스테인레스스틸 모재의 산화물 피막의 식각은 플라즈마 에칭으로 실시하는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 상기 금속질화물 버퍼 층의 형성은, 금속타깃과 질소 가스를 챔버에 공급하고, 메탈아크에 전압을 인가하고 모재에는 바이어스 전압을 인가하여 300 내지 500℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 전도성 카본 층의 코팅은 이온 건에 전압을 인가하고, 모재에 바이어스 전압으로 인가하고, 온도를 200 내지 600℃로 하여 실시하는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 상기 바이어스 전압은 0 ~ -800V의 DC, AC 또는 주파수가 0.1kHz~500kHz인 펄스 전압이고, 전도성 카본 층의 두께는 1 내지 150nm로 증착하는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 산화물 피막을 식각하는 단계; 금속질화물 버퍼 층을 증착하는 단계; 및 전도성 카본 층을 나노사이즈 두께로 증착하는 단계;는 각각 공정 챔버를 구성하여 실시되고, 각 공정 챔버를 인라인으로 배열하여 상기 단계들이 인시츄(in-situ)로 진행되는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 산화물 피막을 식각하는 단계는 이온 건을 이용한 플라즈마 에칭으로 실시되고, 이온 건과 모재 표면과의 간격을 좁힐 수 있도록 이온 건의 위치를 이동식으로 구성하여 식각율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은,

스테인레스스틸 모재의 산화물 피막이 식각 되고 그 상태에서 금속질화물 버퍼 층이 증착되고, 다시 그 위에 전도성 카본 층이 나노사이즈 두께로 증착되어 있는 것을 특징으로 하는, 내식성 및 전도성을 갖도록 보강된 스테인레스스틸을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 상기 금속질화막에는 CrN, 또는 TiN이 포함되고, 그 두께는 1 내지 20nm 두께인 것을 특징으로 하는, 내식성 및 전도성을 갖도록 보강된 스테인레스스틸을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 상기 전도성 카본층은 1 내지 150nm인 것을 특징으로 하는, 내식성 및 전도성을 갖도록 보강된 스테인레스스틸을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 내식성 및 전도성을 갖도록 보강된 스테인레스스틸은 연료전지 분리판 또는 전극재인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은,

이온 건을 설치하여 스테인레스스틸 모재의 산화막을 플라즈마로 식각하는 제1 챔버;

상기 제1 챔버에서 산화막 식각 공정을 마친 후 스테인레스스틸 모재 표면에 금속질화막을 코팅하기 위하여 메탈 아크를 설치한 제2 챔버; 및

상기 제2 챔버로에서 금속질화막 코팅이 된 스테인레스스틸 모재 표면에 전도성 카본층을 나노사이즈 두께로 코팅하기 위하여 이온 건을 설치한 제3 챔버;를 인라인으로 배열하여, 플라즈마 식각 공정과 금속질화막 코팅공정과 전도성 카본층의 코팅 공정이 일괄적으로 인시츄(in-situ)로 진행되는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조장치를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면 스테인레스스틸 모재의 산화물 자연피막을 플라즈마로 식각한 다음 코팅 처리하기 때문에 코팅 처리에 의한 전도성 향상 효과가 탁월하며, 식각된 면에 내식성 향상을 위한 CrN 또는 TiN을 나노사이즈로 코팅하고 그 위에 카본층을 다시 나노사이즈 두께로 코팅하여, 접촉저항을 낮게 유지하면서 부식전류를 크게 낮출 수 있으며, 코팅 두께가 나노사이즈로 극히 얇기 때문에 인라인 공정이 가능하게 되어 생산성 또한 매우 좋다는 장점을 지닌다. 그에 따라 양산성이 있는 연료전지분리판, 전극재, 또는 보강된 특수 스테인레스스틸재를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 카본 코팅재의 코팅 온도에 따른 접촉저항과 부식전류의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2는 카본 코팅재의 코팅 막 두께에 따른 접촉저항과 부식전류의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 스테인레스스틸 모재에 대한 표면처리 및 코팅층 구성을 보여주는 층상 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이온 건을 이용한 카본 층 코팅에 대한 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따라 모재의 플라즈마 에칭, 금속질화물층 코팅 및 나노 카본층 코팅을 인라인으로 구성한 것을 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따라 코팅 공정이 완성된 시편의 접촉저항과 부식전류를 종래기술 대비로 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라 코팅 공정이 완성된 시편의 접촉저항 측정 방법을 설명하는 그림들이다.
도 8은 본 발명에 따라 모재의 산화막을 플라즈마 에칭으로 식각 하는 과정에서 이온 건과 모재 간의 간격에 따른 식각율을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은, 스테인레스스틸을 모재로 하여 내식성과 전도성을 더욱 강화할 수 있는 코팅층을 형성하여 연료전지분리판으로 사용하거나, 전극재 또는 스테인레스스틸 자체의 물성을 보강한 특수 스테인레스스틸을 제작할 수 있게 한다.

이를 위해, 스테인레스스틸 고유의 자연 산화피막층을 플라즈마 식각으로 제거한 다음, 그 식각 된 면에 금속질화물층을 1 내지 20nm 정도로 얇게 적층하여 스테인레스스틸의 내식성을 좀 더 강화한다. 상기 플라즈마 식각 공정으로 인하여, 스테인레스스틸의 표면에 덮여있던 산화막이 제거되어 전도성을 좀 더 향상시킬 수 있게 되는 동시에, 표면 전반은 수nm 내외의 미세한 요철이 형성되어 활성화되며 이후 코팅 공정에서 막의 증착율과 밀착력을 향상시키게 된다.

활성화된 표면 위에 CrN, TiN과 같은 내식성이 우수한 금속질화막을 1 내지 20nm 정도로 매우 얇게 코팅함으로써 전도성 강화에 따라 약화 될 수 있는 내식성을 보강하는 것이다. 금속질화막은 산화막과 달리 전도성을 지니므로 전도성을 해하지 않고도 내식성을 향상시킬 수 있다.

그 다음 그 위에 1 내지 150nm의 전도성 나노 카본 코팅층(300)을 형성하여, 내식성을 유지한 상태에서 그 전도성을 더욱 강화시킨다. 전체적인 공정을 마친 후에는 도 3과 같은 층상을 이루게 된다.

상기 식각 공정과 카본코팅공정은 플라즈마 식각 효율은 물론 고에너지 이온을 생성하여 우수한 막질과 높은 생산성(증착율)을 제공하는 이온 건을 이용하여 실시하며, 나노사이즈 두께의 얇은 막으로도 충분히 요구되는 물성을 갖는 치밀한 박막을 제작할 수 있다.

즉, 스테인레스스틸 모재에 내식성 및 전도성을 모두 향상시키는 나노 카본 코팅은, 이온 건을 포함한 인라인 코팅 시스템으로 구성됨으로써 양산성을 갖추게 된다(도 6 참조). 인라인 코팅 시스템을 통해, 플라즈마 식각 단계, 금속질화막 코팅 단계 및 전도성 나노 카본 코팅층(300)의 형성 단계가 모두 in-situ 공정으로 진행된다. 인라인 코팅 시스템으로 구성할 수 있는 것은 본 발명의 플라즈마 식각 공정과 카본 코팅공정이 모두 고효율의 이온 건을 이용하고 있기 때문이며, 그로 인하여 나노사이즈 두께로 충분한 물성을 나타내기 때문이다. 이는, 종래 PVD 공정을 이용하여 전도성 카본을 코팅할 경우, 막질이 치밀하지 못하고 박리위험성이 있기 때문에 500nm 내지 수 μm 수준의 후막으로 형성하여야 했고 그렇기 때문에 5시간 이상 장시간이 소요되어 인라인 시스템과 같은 양산시스템이 무의미했던 상황을 본 발명이 개선한 것이다. 특히, 연료전지분리판과 같이 제조단가를 낮추는 것이 해당 기술 상용화의 열쇠가 되는 경우 양산성이 있는 제조공정 및 시스템 개발은 기술적 경제적으로 큰 의의를 가진다고 할 수 있다. 본 발명에 사용된 이온 건은 기존 CVD 공정과 달리 높은 접합력 및 증착율을 얻을 수 있다. 경제성 및 양산성을 가질 수 있도록 코팅 두께를 대폭 낮추면서도 접합력 및 미세조직 밀도를 높이기 위해 700 eV 정도로 높은 입자 에너지를 부여할 수 있는 이온 건을 사용하였다[Andrew, S., Mike, A., Michael, K., Ken, N., Colin, Q., "Iustrial Ion Sources and Their Application for DLC Coating,"presented at the SVC 42nd Annual Technical Conference, USA, April 17-22, 1999.참조]. 기존의 PACVD 공정의 경우 입자 에너지가 2 ~ 3 eV로 낮다는 점을 고려할 때 본 발명의 이온 건에 의한 고에너지 입자생성은 공정의 효율성과 막질의 품질을 크게 향상시킨다. Robertson, J., "Diamond-like amorphous carbon," Materials Science and Engineering R 37:129-281, 2002.참조]

다음은 본 발명의 일 실시예로서, 상술한 바에 따라 연료전지분리판을 제조하는 방법을 세부적인 공정 조건 제시와 함께 상세히 설명한다.

먼저, 연료전지분리판의 모재로서 가공된 스테인레스스틸을 준비하여 깨끗이 세정한다. 세정은 증류수, 이소프로필 알콜 등의 약품을 이용하는 공지 기술에 따라 할 수 있다.

다음으로, 세정 된 모재를 챔버에 넣고, 스테인레스스틸의 표면에 형성되어 있는 크롬산화물과 같은 자연 산화막을 플라즈마 에칭으로 식각한다. 플라즈마 에칭을 위하여 이온 건을 준비하고, 여기에 Ar 등의 비활성 가스 또는 질소(N₂)를 넣고 0.1 내지 5kW 전력(펄스 전력, AC 전력, 또는 DC 전력일 수 있다)을 인가하여 방전된 플라즈마를 이용하여 이온으로 모재 표면을 충격하게 하여 스테인레스스틸 표면에 자연적으로 형성되어 있던 산화막을 식각 제거하고 표면 자체를 활성화시킨다. 이때 모재 쪽에 바이어스 전압을 인가하여 이온을 끌어당김으로써 상기 식각작용을 효율적으로 할 수 있다. 모재 기판의 양면을 동시에 식각할 수 있도록 도 6에서와 같이 이온 건을 모재의 윗면과 배면 쪽에 모두 배치하고, 식각 공정의 경우, 식각율이 모재 표면과 이온 건과의 거리에 따라 도 9에 나타낸 바와 같이 변화하므로 이온 건을 모재에 가까이 이동시켜 식각하도록 이온 건을 이동식(movable)으로 구성하였다(도 6 참조).

즉, 식각율 y≒300/x, 여기서 x는 이온 건과 모재 표면 간의 거리라는 관계가 도출되었으며, 본 실시 예에서 이온 건과 샘플 간 거리를 10cm에서 3cm로 줄일 경우 약 4배의 식각율 증대 효과가 있었다.

본 실시예에서 산화층 제거를 위한 플라즈마 식각공정은 250W DC 전력을 이온 건에 인가하고, -100V의 바이어스 전압을 모재에 인가하여, 약 5분간 진행하였다. 도 9는 이러한 식각 공정 실시 전과 실시 후 모재 면의 FESEM 분석 결과를 보여주며, 식각 후 표면이 평탄해진 것을 알 수 있다. 또한 식각 후 표면 조도를 측정한 결과 약 20%의 개선효과가 있음을 알 수 있었다.

플라즈마 식각공정을 마친 후, 그로 인해 활성화된 모재 표면에 내식성을 강화하기 위하여 버퍼층을 형성한다. 즉, CrN 또는 TiN계 금속질화물층을 나노 사이즈로 입힌다. 상기 공정은 PVD, PECVD 등 일반적으로 상기 피막을 형성할 때 사용하는 공정을 이용할 수 있으며, 공정 온도를 실온 내지 500℃, 바람직하게는 300 내지 500℃, 공정 압력을 10^-2 내지 10^-5torr로 유지시킨다. 본 실시예에서는 해당금속타깃과 질소 가스를 챔버에 공급하고, 메탈 아크를 이용한 PECVD로 진행하였으며, CrN 또는 TiN과 같은 금속 질화막을 1 내지 20nm 정도의 극히 얇은 막으로 입히며, 코팅 시간은 전력, 압력, 온도 등의 타 공정변수와 연관되어 다소 변동가능하나 가급 하나의 모재 당 10 내지 30초, 최대 5분을 넘지 않게 설정하는 것이 바람직하다.

본 실시예에서 금속질화막 형성을 위해, 메탈 아크(metal arc)에 인가한 전압은 DC 전압으로 10 내지 30V, 전류는 30 내지 200A로 하였고, 모재에는 0 내지 -100V의 바이어스 전압을 인가하였다. 상기 조건에서 그 이상 높은 바이어스 전압을 인가하면 스퍼터링이 일어날 수 있기 때문에 주의를 요한다. 금속질화막의 형성은 산화막을 식각한 스테인레스스틸 모재에 대해 내식성을 향상시키며, CrN이나 TiN을 형성한 경우, 그 자체로서 전도성이 있어 이후 형성할 고 전도성층과 더불어 전체적으로 물성을 좋게 한다.

다음으로, 카본 소스로서 탄화수소 계열의 가스를 공급하거나 그라파이트 타깃을 이용할 수 있으며, PVD 또는 PECVD 공정으로 전도성 카본 층을 증착한다. 본 실시예의 경우, 이온건을 이용한 방법으로 형성하였다. 0.1 내지 5kW 전력(펄스 전력, AC 전력, 또는 DC 전력일 수 있다)을 이온 건에 인가하며, 히터를 이용하여 공정 온도를 200 내지 1000℃, 바람직하게는, 300 내지 600℃로 하고, 탄화수소가스를 공급하여 공정 압력을 10^-2 내지 10^-5torr로 유지시켜가며, 전도성 카본 층 두께를 1 내지 150 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm로 증착한다. 전도성 카본 층의 증착과정을 도 4에 모식적으로 나타내었다. 이때, 모재에는 바이어스 전압을 인가하는 것이 바람직하다. 바이어스 전압은 0 ~ -800V의 (-)전압을 DC, AC 또는 펄스 주파수(0.1kHz~500kHz)로 인가할 수 있으며, 이러한 바이어스 전압은 전도성 나노카본 코팅시 금속 분리판에 축적되는 전하를 방지하고 금속분리판과 흑연상 카본의 접합력을 향상시키는 효과가 있다.

이와 같은 공정을 통해, 카본 자체가 보유하고 있는 에너지, 온도조건으로부터 알 수 있듯이 외부로부터 가해지는 열 에너지, 그리고 모재에 인가되는 전기적 에너지로 인하여 카본 층은 증착과 동시에 결정화되어 in-situ로 전도성 흑연상 카본층을 형성하게 된다. 전도성을 나타내는 전도성 나노 카본코팅층(300)은 매우 얇은 나노사이즈 두께로 형성하기 때문에 공정 진행 시간이 매우 짧으며, 시간당 360개의 코팅 공정이 실시될 수 있어 양산시 장당 2$ 미만의 비용으로 연료전지분리판을 생산할 수 있다.

종래, 카본 층의 두께를 500nm 이상으로 하던 것에 비해 본 실시예에서는 내식성을 위한 CrN층과 전도성을 위한 카본층을 포함하여 두께를 60nm이하로 하여 전체적으로 훨씬 얇은 두께의 코팅층을 형성하여 그만큼 생산성을 향상시켰음을 알 수 있다.

또한 이와 같이 제조된 연료전지 분리판에 대해 접촉저항과 부식전류를 측정하였으며, 본 실시예와 대비되도록, 스테인레스스틸 모재의 자연피막을 식각하지 않고, CrN이나 TiN 버퍼층 없이 직접 전도성 카본 층을 50nm 두께로 증착한 시편을 비교예로 제작하여 접촉저항과 부식전류를 측정하였다. 그 결과 도 6에 나타낸 바와 같이 좌측의 비교예의 시편에서는 접촉저항이 13.2 mΩcm²@10kgf/cm² 이고 부식전류가 9.13 μA/cm²이나, 본 실시예의 경우는 접촉저항이 13.7mΩcm²@10kgf/cm² 이고 부식전류가 0.42 μA/cm²로 접촉저항은 같은 수준으로 유지하면서도 부식 전류를 크게 낮추었음을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 연료전지분리판은 양호한 전도성과 우수한 내식성을 구비하였으며, 양산성을 만족시킬 수 있다는 것을 뜻한다.

도 7에는 본 실시예에서 제작한 연료전지분리판의 접촉저항을 측정하는 방법을 설명하고 있다. 시편 면적 cm²당 10kg의 하중을 가한 상태에서 상하부의 집전체(current collector)에 전류를 흘려주고 양단의 전압을 측정하여 분리판과 GDL(gas diffusion layer)간의 접촉저항을 구하였다. 접촉저항 측정은 분리판이 GDL의 사이에 위치한 상태에서 접촉저항을 측정한 후, GDL이 가지는 접촉저항을 따로 측정하여 두 값의 차이를 구한다.

상기 실시예에서 나노카본코팅을 적용한 연료전지 분리판 제조를 설명한 것과 거의 동일하게 내식성 전극재와 특수 스테인레스스틸을 제작할 수 있으며, 그외 다른 물품에도 적용될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 모재
200: 금속질화물층
300: (전도성) 나노 카본층
400: 플라즈마 소스

Claims

스테인레스스틸 모재의 산화물 피막을 식각하는 단계;
산화물 피막이 식각 된 상기 모재 표면에 금속질화물 버퍼 층을 1 내지 20nm 두께로 증착하는 단계;및
상기 버퍼 층 위에 전도성 카본 층을 1 내지 150nm 두께로 증착하는 단계;를 포함하며,
스테인레스스틸 모재의 산화물 피막의 식각은 플라즈마 에칭으로 실시하고,
상기 금속질화물 버퍼 층의 형성은, 금속타깃과 질소 가스를 챔버에 공급하고, 메탈 아크에 전압을 인가하고 모재에는 바이어스 전압을 인가하여 인가하여 300 내지 500℃에서 실시하고,
전도성 카본 층의 코팅은 이온 건에 전압을 인가하고, 모재에 바이어스 전압으로 인가하고, 온도를 200 내지 600℃로 하여 실시하는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조방법.
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제1항에 있어서, 상기 바이어스 전압은 0 ~ -800V의 DC, AC 또는 주파수가 0.1kHz~500kHz인 펄스 전압이고, 전도성 카본 층의 두께는 1 내지 150nm로 증착하는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조방법.
제1항에 있어서, 산화물 피막을 식각하는 단계; 금속질화물 버퍼 층을 증착하는 단계; 및 전도성 카본 층을 나노사이즈 두께로 증착하는 단계;는 각각 공정 챔버를 구성하여 실시되고, 각 공정 챔버를 인라인으로 배열하여 상기 단계들이 일괄적으로 인시츄(in-situ)로 진행되는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조방법.
제1항 또는 제6항에 있어서, 산화물 피막을 식각하는 단계는 이온 건을 이용한 플라즈마 에칭으로 실시되고, 이온 건과 모재 표면과의 간격을 좁혀 식각율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조방법.
제1항 또는 제6항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
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제1항 또는 제6항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 전극재.
이온 건을 설치하여 스테인레스스틸 모재의 산화막을 플라즈마로 식각하는 제1 챔버;
상기 제1 챔버에서 산화막 식각 공정을 마친 후 스테인레스스틸 모재 표면에 금속질화막을 나노사이즈 두께로 코팅하기 위하여 메탈 아크를 설치한 제2 챔버; 및
상기 제2 챔버로에서 금속질화막 코팅이 된 스테인레스스틸 모재 표면에 전도성 카본층을 나노사이즈 두께로 코팅하기 위하여 이온 건을 설치한 제3 챔버;를 인라인으로 배열하여, 플라즈마 식각 공정과 금속질화막 코팅공정과 전도성 카본층의 코팅 공정이 연속적으로 인시츄(in-situ)로 진행되게 하며,
상기 제1 챔버 내에서 이루어지는 식각 공정의 식각율을 제어하기 위해, 이온 건과 모재 표면 사이의 거리를 조절할 수 있도록 이온 건을 이동식(movable)으로 설치하는 것을 특징으로 하는 내식성 및 전도성을 갖는 나노 카본 코팅층의 제조장치.