KR101501068B1 - Zr기 비정질 합금조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래의 비정질 합금보다 Zr 함량이 높고, 상용 금속원소들로만 이루어져 공업적, 경제적 활용성이 우수하고 실용화가 용이한 고내식 특성의 Zr기 비정질 합금 조성물의 제공을 목적으로 한다. 본 발명의 일 관점에 의하면, Zr이 67원자% 내지 78원자%, Al 및 Co 중에서 선택된 어느 하나 이상이 4원자% 내지 13원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15원자% 내지 24원자%로 이루어지고, 비정질 형성능이 0.5mm 이상인, Zr기 비정질 합금조성물이 제공된다.

Description

Zr기 비정질 합금조성물{Zr-based amorphous alloy composition}
본 발명은 고내식 특성을 갖는 비정질 합금조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 0.5mm 이상의 비정질 형성능을 갖는 Zr기 비정질 합금조성물에 관한 것이다.
비정질 합금은 2GPa 이상의 고강도 특성을 가지고, 우수한 내마모특성, 내부식성, 파괴인성 등과 같은 기존 결정질 금속소재와 비교하여 월등히 우수한 특성을 가지고 있다.
한편, 반도체 제조공정분야, MEMS 등과 같은 미세소자의 제조에는 물론 각종 공구, 금형, 자동차용 부품의 내마모 향상 등을 위한 코팅형성 분야에서 반응성 가스인 질소와 반응하여 고경도의 질화물을 형성할 수 있는 지르코늄을 베이스로 하는 비정질 합금을 이용한 다성분계 스퍼터링 타겟의 개발이 요구되고 있다. 또한 전기자동차의 수요가 증가함에 따라 고분자전해질 연료전지에 사용되는 금속 바이폴라 플레이트의 내식성 향상을 위해 비정질 재료가 주목받고 있다. 바이폴라 플레이트는 초기 그라파이트를 적용하였으나 경제성, 강도, 전기전도성의 개선을 위하여 최근 금속계 바이폴라 플레이트의 개발이 진행되고 있으나 금속계 바이폴라 플레이트의 경우 연료전지의 작동환경에 대한 낮은 내부식 특성이 문제점으로 지적되고 있다. 따라서 최근 비정질 합금리본을 이용하여 바이폴라 플레이트를 제조하거나 금속계 플레이트 위에 비정질막을 코팅함으로써 바이폴라 플레이트의 내부식성을 향상시키려고 하는 시도가 이루어지고 있다. Zr기 비정질 합금의 경우 높은 형성능을 갖는 합금계로 알려져 있으며 대표적으로 Zr-Al-Ni-Cu기 합금의 경우 10mm 이상의 비정질 형성능을 갖는 것으로 보고되고 있다. 그러나 보고된 Zr기 비정질 합금의 경우 대부분 Zr의 함량이 65원자% 이하로서 첨가된 Ni 및 Cu 원소의 함량이 상대적으로 높은 조성범위에서 비정질 형성능을 가지는 것으로 알려져 있다. 이에 내마모특성 향상 및 내부식성 향상을 위해서 비정질 합금을 구성하고 있는 Zr의 함량이 높고, Ni 또는 Cu의 함량이 적은 합금계의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 종래의 합금보다 Zr 함량이 높고, 상용 금속원소들로만 이루어져 공업적, 경제적 활용성이 우수하고 실용화가 용이한 고내식 특성의 Zr기 비정질 합금 조성물의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, Zr이 67원자% 내지 78원자%, Al 및 Co 중에서 선택된 어느 하나 이상이 4원자% 내지 13원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15원자% 내지 24원자%로 이루어지고, 비정질 형성능이 0.5mm 이상인, Zr기 비정질 합금조성물이 제공된다.
상기 Zr기 비정질 합금조성물은 Zr이 67원자% 내지 78원자%, Co가 4원자% 내지 12원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15원자% 내지 24원자%로 이루어질 수 있다.
상기 Zr기 비정질 합금조성물은 Zr이 67원자% 내지 78원자%, Al이 3원자% 내지 10원자%, Co가 2원자% 내지 9원자%, Cu가 17원자% 내지 23원자%로 이루어질 수 있다.
상기 Zr기 비정질 합금조성물은 상기 합금조성물의 용탕을 104 K/sec 내지 106 K/sec 범위의 냉각속도로 주조시 20㎛ 내지 100㎛ 범위에 주조두께로 비정질리본을 얻을 수 있는 합금조성물일 수 있다.
상기 Zr기 비정질 합금조성물은 비정질 합금분말 또는 나노결정질 합금분말일 수 있다. 상기 Zr기 비정질 합금조성물은 포일 형태의 비정질 합금리본 또는 나노결정질 합금리본일 수 있다. 상기 Zr기 비정질 합금조성물은 비정질 합금주조재 또는 나노결정질 합금주조재일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 상술한 상기 합금조성물과 동일한 조성의 비정질 리본을 이용하여 제조된 연료전지용 바이폴라 플레이트를 제공한다.
본 발명의 실시예들을 따를 경우, 비정질 형성능을 갖고, 넓은 과냉각 액상 영역을 가지는 Zr기 비정질 합금조성물을 구현할 수 있다. 나아가, 상기 Zr기 비정질 합금조성물을 소정의 온도 범위에서 가열하여 구현한 결정질 합금으로 이루어진 스퍼터링 타겟은 열적/기계적 안정성이 크게 향상되어 스퍼터링 과정 중에 타겟이 갑작스럽게 파괴되는 현상이 일어나지 않아 안정적으로 스퍼터링 공정을 수행할 수 있다. 또한 매우 균일한 미세조직을 가지게 되므로 타겟을 구성하는 다성분의 스퍼터링율(sputtering yield) 차이에 기인한 타겟조성과 박막조성간의 조성 편차를 근소하게 하는 효과가 있으며, 박막의 두께에 따른 조성균일성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한 상기 비정질 합금 조성물로 이루어진 비정질 리본의 경우 고분자 전해질 연료전지 스텍의 바이폴라 플레이트에 적용할 경우 금속계 플레이트에 비해 월등히 우수한 내식특성을 갖는 바이폴라 플레이트의 제조가 가능하다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1a는 본 발명에 따른 합금조성물에서 0.5mm 이상의 벌크 비정질 형성이 확인된 영역을 나타낸 Zr-Co-(Ni,Cu)계의 삼원상태도이며, 도 1b는 본 발명에 따른 Zr-(Al, Co)-Cu계 삼원 상태도 이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 대한 비정질 형성능을 X-선 회절을 이용하여 조사한 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예들의 결정화 특성을 나타내는 DSC 분석결과가 나타나 있다.
도 4는 본 발명의 실시예2에 의한 조성을 가지는 합금조성물을 이용하여 제작된 스퍼터링 타겟의 외관이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예들에 따른 Zr기 비정질 합금조성물을 어닐링한 후에 크랙발생 테스트를 진행했을 때 나타나는 압자자국 주변을 전자현미경으로 관찰한 결과이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예들에 따른 Zr기 비정질 합금조성물로부터 제조한 결정질 합금타겟의 미세조직을 전자현미경으로 관찰한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예15의 조성을 이용하여 제조된 70um 두께의 비정질 합금리본 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 Zr기 비정질 합금 조성물을 이용하여 제조된 비정질 리본의 연료전지 스텍 분위기 하에서 수행된 동전위 분극시험 결과이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 발명에서 비정질이라 함은 전체적으로 비정질 구조가 주를 이루어, X-선 회절패턴이 할로(halo) 형태를 이루는 등의 당 업계에 통상적으로 알려진 비정질상의 특성을 가지는 경우를 의미한다. 예를 들어, 비정질이라 함은, 조성물의 구조가 100% 비정질인 경우 뿐만 아니라, 결정질이 비정질 구조보다 많이 존재하여 비정질의 특성을 잃는 정도로 포함되는 것이 아닌 한, 비정질 구조 내에 일부가 결정질(또는 나노결정질)로 존재하는 경우도 포함할 수 있다. 상기 나노결정질 합금은 결정립의 평균크기가 100nm 미만인 금속합금체를 의미할 수 있다.
본 발명에서 비정질 형성능(glass forming ability)이란 특정조성의 합금이 어느 정도의 냉각속도까지 용이하게 비정질화가 될 수 있는지를 나타내는 상대적인 척도를 의미한다. 일반적으로 주조를 통해 비정질 합금을 형성하기 위해서는 일정 수준 이상의 높은 냉각속도를 필요로 하며, 응고속도가 상대적으로 느린 주조방법(예를 들어 구리금형주조법)으로 사용할 경우 비정질 형성 조성범위가 줄어들게 되는 반면, 회전하는 구리 롤에 용융합금을 떨어뜨려 리본이나 선재로 응고시키는 멜트스피닝(melt spinning)과 같은 급속응고법은 104 K/sec ~ 106 K/sec 이상의 극대화된 냉각속도를 얻을 수 있어서 비정질을 형성할 수 있는 조성범위가 확대되게 된다. 따라서 특정조성이 얼마정도의 비정질 형성능을 갖고 있는지에 대한 평가는 일반적으로 주어진 냉각공정의 냉각속도에 따라 상대적인 값을 나타내는 특징을 가진다.
이러한 비정질 형성능은 합금조성과 냉각속도에 의존적이며, 일반적으로 냉각속도는 주조 두께에 역비례([냉각속도]∝[주조두께]-2)하기 때문에 주조시 비정질을 얻을 수 있는 주조재의 임계두께를 평가함으로써 비정질 형성능을 상대적으로 정량화 할 수 있다. 예를 들어, 구리금형주조법에 의할 시, 비정질구조를 얻을 수 있는 주조재의 임계주조두께(봉상인 경우에는 지름)로 표시할 수 있다. 다른 예로서 멜트스피닝에 의해 리본을 형성할 경우, 비정질이 형성되는 리본의 임계두께로 표시할 수 있다.
본 발명에 있어서, 비정질 형성능을 가지는 합금의 의미는 상기 합금의 용탕을 104 K/sec ~ 106 K/sec 범위의 냉각속도로 주조시 20㎛ 내지 100㎛ 범위에 주조두께로 비정질 리본을 얻을 수 있는 합금을 의미한다.
본 발명을 따르는 비정질 형성능을 가지는 합금조성물은 3원소 이상의 다성분으로 구성되며, 주 원소간의 원자반경의 차이가 12%이상으로 크고, 주 원소간의 혼합열(heat of mixing)이 음의 값을 갖는 특징을 가진다.
본 발명의 일 실시예를 따르는 Zr기 비정질 합금조성물은 Zr이 67원자% 내지 78원자%, Al 및 Co 중에서 선택된 어느 하나 이상이 4원자% 내지 13원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15원자% 내지 24원자%로 이루어지고, 비정질 형성능이 0.5mm 이상이다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 Zr기 비정질 합금조성물은 Zr이 67원자% 내지 78원자%, Co가 4원자% 내지 12원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15원자% 내지 24원자%로 이루어질 수 있으며, 비정질 형성능이 0.5mm 이상일 수 있다. 다른 예를 들면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 Zr기 비정질 합금조성물은 Zr이 67원자% 내지 78원자%, Al이 3원자% 내지 10원자%, Co가 2원자% 내지 9원자%, Cu가 17원자% 내지 23원자%로 이루어질 수 있으며, 비정질 형성능이 0.5mm 이상일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 의한 Zr기 비정질 합금조성물은 Zr이 67원자% 내지 78원자% 범위, 엄격하게는 67원자% 내지 76원자% 범위, 더욱 엄격하게는 67.4원자% 내지 75.7원자% 범위, 더욱 더 엄격하게는 69.86원자% 내지 75.7원자% 범위, 나아가 더욱 더 엄격하게는 70.2원자% 내지 75.7원자% 범위를 갖도록 제어될 수 있다.
본 명세서에서 언급하는 원자%의 단위는 전체 합금조성물 중에서 차지하는 해당 원자의 비율을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제공한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
표 1에는 본 발명의 실시예들에 따른 Zr기 비정질 합금조성물의 합금조성, 비정질 형성능(GFA), 비정질합금의 유리천이온도(Tg), 결정화 개시온도(Tx), 과냉각액상영역(△T=Tx-Tg), 고상선온도(TS), 액상선온도(TL) 등이 나타나 있다. 예를 들어, 실시예 1의 비정질합금 조성은 Zr이 67.4원자%, Al이 7원자%, Co가 3원자%, Cu가 22.6원자%이며, 이를 Zr67.4Al7Co3Cu22.6로 표시한다(이후 합금의 조성을 이와 같은 방식으로 표시한다).
본 발명자들은 표 1에 개시된 Zr기 비정질 합금조성물을 비정질 합금주조재(비정질 합금봉), 비정질 합금분말, 포일 형태의 비정질 합금리본 등으로 구현하였다. 이를 구현하기 위한 예시적인 방법으로는 급속응고법, 금형 캐스팅법, 고압 캐스팅법, 아토마이징법 및/또는 멜트스피닝법 등을 활용할 수 있다.
상기 비정질 합금주조재는, 예를 들어, 표 1에 개시된 조성을 가지는 합금버튼(alloy button)을 아크멜팅에 의해 용해한 후 구리금형 흡입주조법으로 제조하였다. 일반적으로 구리금형 흡입주조법과 같은 금형주조법의 냉각속도는 멜트스피닝법에 비해 낮은 냉각속도를 가지며, 상기 조성의 합금은 본 발명에서 정의하는 비정질 형성능을 가진다.
상기 비정질 합금분말은 어토마이징법으로 제조될 수 있는데, 예를 들어, 표 1에 개시된 조성을 가지는 합금을 아크멜팅법으로 용해한 후 합금버튼을 제조하고, 분말제조장치를 이용해서 합금버튼을 고주파에 의해 재용해후, 용융합금을 아르곤 가스로 분무하여 제조하였다.
상기 포일 형태의 비정질 합금리본은 멜트스피닝법에 의해 제조되었는바, 구체적으로 표 1에 개시된 조성비를 맞춰 아크멜팅법으로 합금용탕을 제조한 후, 700rpm의 고속으로 회전하는 지름 600mm 구리 롤 표면에 상기 합금용탕을 노즐을 통하여 투입하여 급속응고시킴으로써 제조하였다.
[표 1]
Figure 112013050834413-pat00001

표 1에 개시된 조성을 가지는 Zr기 비정질 합금조성물은 0.5mm 이상의 비정질 형성능과 11.85℃ 내지 48.55℃ 범위의 과냉각액상영역(△T)을 구현하였다. 즉, 본 발명자들은 높은 Zr의 함량을 가지면서도, 즉, Zr이 67원자% 내지 78원자% 범위, 엄격하게는 67원자% 내지 76원자% 범위, 더욱 엄격하게는 67.4원자% 내지 75.7원자% 범위, 더욱 더 엄격하게는 69.86원자% 내지 75.7원자% 범위, 나아가 더욱 더 엄격하게는 70.2원자% 내지 75.7원자% 범위를 가지면서도, 우수한 비정질 형성능과 넓은 범위의 과냉각 액상 영역을 확보할 수 있는 Zr기 비정질 합금조성물을 구현하였다.
이를 위하여, 표 1에 개시된 실시예 1 내지 실시예 3, 실시예 5 내지 실시예 8, 실시예 10 내지 실시예 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 Zr기 비정질 합금조성물은 Zr이 67원자% 내지 78원자%, Al 및 Co 중에서 선택된 어느 하나 이상이 4원자% 내지 13원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15원자% 내지 24원자%로 이루어진다. 엄격하게는, Zr기 비정질 합금조성물은 Zr이 67.4원자% 내지 75.7원자%, Al 및 Co 중에서 선택된 어느 하나 이상이 4.8원자% 내지 13원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15.7원자% 내지 23.6원자%로 이루어질 수 있다. 이 경우 비정질 형성능은 0.5mm 내지 4mm 범위를 가진다.
도 1a는 본 발명의 Al이 첨가되지 않은 Zr기 비정질 합금 영역을 도시한 상태도이다. Al을 첨가하지 않을 경우 충분한 비정질 형성능과 넓은 범위의 과냉각 액상 영역을 확보하기 어렵다고 알려져 있으나, 표 1에 개시된 실시예 12 내지 실시예 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 Zr기 비정질 합금조성물은, Al을 포함하지 않고, Zr이 67원자% 내지 78원자%, Co가 4원자% 내지 12원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15원자% 내지 24원자%로 이루어지며, 더욱 엄격하게는, Al을 포함하지 않고, Zr이 69.86원자% 내지 75.7원자%, Co가 4.8원자% 내지 12원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15.7원자% 내지 23.6원자%로 이루어지는데, 0.5mm 내지 1mm 범위의 비정질 형성능과 13.33℃ 내지 33.86℃ 범위의 넓은 과냉각 액상 영역을 확보할 수 있음을 확인하였다.
도 1b는 본 발명의 Zr-(Al,Co)-Cu기 비정질합금 범위를 도시한 합금 상태도 이다. Ni을 첨가하지 않을 경우 충분한 비정질 형성능과 넓은 범위의 과냉각 액상 영역을 확보하기 어렵다고 알려져 있으나, 표 1에 개시된 실시예 1, 실시예 3, 실시예 5 내지 실시예 8, 실시예 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 Zr기 비정질 합금조성물은, Ni을 포함하지 않고, Zr이 67원자% 내지 78원자%, Al이 3원자% 내지 10원자%, Co가 2원자% 내지 9원자%, Cu가 17원자% 내지 23원자%로 이루어지며, 더욱 엄격하게는, Ni을 포함하지 않고, Zr이 67.4원자% 내지 70.9원자%, Al이 3원자% 내지 10원자%, Co가 2원자% 내지 9원자%, Cu가 17.1원자% 내지 22.6원자%로 이루어지는데, 1mm 내지 4mm 범위의 비정질 형성능과 15.37℃ 내지 48.55℃ 범위의 넓은 과냉각 액상 영역을 확보할 수 있음을 확인하였다.
도 2는 표 1에 개시된 본 발명의 일부 실시예들에 대한 비정질 형성능을 X-선 회절을 이용하여 조사한 결과이다.
도 2를 참조하면, 표 1에 개시된 실시예 2, 실시예 7, 실시예 12 및 실시예 15에 따른 Zr기 비정질 합금조성물은 비정질상에서 전형적으로 나타나는 브로드 피크(broad peak)가 관찰되며 결정질 피크(sharp peak)는 나타나지 않음을 확인할 수 있다. 발명자들은 표 1에 개시된 모든 실시예들에서 이와 같은 전형적인 브로드 피크(broad peak)가 관찰됨을 확인하였다.
도 3의 (a) 내지 (d)는 각각 표 1에 개시된 본 발명의 실시예 2, 실시예 7, 실시예 13 및 실시예 15에 따른 결정화 특성을 나타내는 DSC(시차주사열량계) 분석결과가 순차적으로 나타나 있다.
도 3의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 표 1에 개시된 본 발명의 실시예 2, 실시예 7, 실시예 13 및 실시예 15의 합금에서는 승온시 결정화 거동에 따르는 발열피크가 관찰됨을 확인하였다. 이로부터 본 발명의 실시예 합금은 합금 내의 적어도 일부가 비정질상으로 존재하고 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의한 Zr기 비정질 합금조성물은 반도체 제조공정분야, MEMS 등과 같은 미세소자의 제조에는 물론 각종 공구, 금형, 자동차용 부품의 내마모 향상 등을 위한 코팅형성 분야에서 활용될 수 있다. 이하에서는 구체적인 일례로서 스퍼터링 타겟에 적용되는 경우를 설명한다.
스퍼터링 공정은 음의 전압이 인가된 타겟에 아르곤 이온 등을 고속으로 충돌시켜 타겟원자를 이탈시켜 모재에 공급함으로써 모재의 표면에 박막을 형성하는 기술을 말한다. 스퍼터링을 이용하여 비정질상 박막 혹은 비정질상을 포함하는 나노복합박막을 제조할 경우, 비정질로 이루어진 타겟을 이용할 수 있다. 이러한 비정질 타겟은 비정질 형성능이 높은 다원계 금속합금으로 이루어 질 수 있으며, 이러한 비정질 타겟으로부터 이탈된 이종의 금속원소들은 모재 표면 위에 비정질상을 가지는 합금박막을 형성할 수 있다.
그러나 이러한 비정질 타겟은 스퍼터링 과정에서 이온의 충돌로 인해 온도가 증가되며, 이러한 온도 증가로 인해 타겟의 표면 근처의 조직이 변화될 수 있다. 즉, 열적으로 불안정한 비정질상의 특성상, 타겟의 온도가 증가될 경우 타겟 표면에서 국부적인 결정화가 진행될 수 있다. 이러한 국부적인 결정화는 타겟의 부피변화 및 구조완화를 일으킬 수 있으며, 이로 인해 타겟의 취성이 증가되어 스퍼터링 공정 중에 타겟이 쉽게 파괴되는 결과를 초래할 수 있다. 공정 중에 타겟이 파괴 될 경우 제품생산에 치명적인 문제를 일으키게 되며, 따라서 스퍼터링 공정 중에 이러한 파괴가 일어나지 않은 안정적인 타겟을 확보하는 것이 매우 중요하다.
본 발명자들은, 상술한 Zr기 비정질 합금(또는 나노결정질 합금)을 복수개로 준비하는 단계; 및 상기 복수개의 비정질 합금(또는 나노결정질 합금)을 상기 비정질 합금(또는 나노결정질 합금)의 결정화 개시온도 이상 용융온도 미만의 온도범위에서 열가압하여 결정립의 평균크기가 0.1㎛ 내지 5㎛ 범위(엄격하게는 0.1㎛ 내지 1㎛ 범위, 더욱 엄격하게는 0.1㎛ 내지 0.5㎛ 범위, 더욱 더 엄격하게는 0.3㎛ 내지 0.5㎛의 범위)를 가지는 결정질 합금을 제조하는 단계;를 수행함으로써 구현되는 결정질 합금으로 이루어진 스퍼터링용 합금타겟이 열적/기계적 안정성이 크게 향상되어 스퍼터링 과정 중에 타겟이 갑작스럽게 파괴되는 현상이 일어나지 않아 안정적으로 스퍼터링 공정을 수행할 수 있음을 확인하였다. 또한 매우 균일한 미세조직을 가지게 되므로 타겟을 구성하는 다성분의 스퍼터링율(sputtering yield) 차이에 기인한 타겟조성과 박막조성간의 조성 편차를 근소하게 하는 효과가 있으며, 박막의 두께에 따른 조성균일성을 확보할 수 있는 효과가 있음을 확인하였다. 이에 대한 보다 상세한 내용은 본원의 발명자들이 이미 출원한 특허출원번호 제10-2011-0129888호 및 제10-2013-0065244호를 참조할 수 있다.
도 4는 본 발명의 표 1에 개시된 실시예 2의 비정질 합금 조성을 이용하여 제조된 타겟의 스퍼터링 후 외관사진이다. 도 4를 참조하면, 제조된 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 공정 중 파괴가 관찰되지 않았으며, 스퍼터링 후 표면은 구성성분간의 스퍼터링 일드(yield) 차이에 의한 불균일성이 관찰되지 않았다.
도 5는 본 발명의 표 1에 개시된 실시예2, 실시예 7, 실시예 12 및 실시예 15 조성에 따른 Zr기 비정질 합금조성물을 어닐링한 후에 크랙발생 테스트를 진행했을 때 나타나는 압자자국 주변을 전자현미경으로 관찰한 결과이고, 도 6은 본 발명의 표 1에 개시된 실시예2, 실시예 7, 실시예 12 및 실시예 15 조성에 따른 Zr기 비정질 합금조성물로부터 제조한 결정질 합금타겟의 미세조직을 전자현미경으로 관찰한 결과이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 표 1에 개시된 실시예들에 따른 Zr기 비정질 합금조성물을 비정질 합금의 결정화 개시온도 이상 용융온도 미만의 온도범위에서 어닐링하여 형성한 스퍼터링 합금타겟은 0.1㎛ 내지 약 5㎛ 범위의 크기를 가지는 결정립이 균일하게 분포하는 결정질 조직을 가지며 크랙이 발생되지 않음을 확인할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예들에 의한 Zr기 비정질 합금조성물은 비정질 합금리본형태로 제조되어 고분자전해질 연료전지에 사용되는 금속 바이폴라 플레이트로 사용될 수 있다. 이하에서는 구체적인 일례로서 비정질 합금리본을 이용하여 바이폴라 플레이트에 적용되는 경우를 설명한다. 금속계 바이폴라 플레이트의 경우 연료전지의 작동환경에 대한 낮은 내부식특성으로 인하여 연료전지의 특성저하 현상이 발생하고 있다. 따라서 최근 비정질 합금리본을 이용하여 바이폴라 플레이트를 제조하거나 금속계 플레이트 위에 비정질막을 코팅함으로써 바이폴라 플레이트의 내부식성을 향상시키려고 하는 시도가 이루어지고 있다. 상술한 바와 같이 본 발명의 비정질 합금 타겟을 이용하여 금속계 바이폴라 플레이트 표면에 비정질 막을 코팅하는 방법을 사용할 수 있으며, 또 다른 예로서 현재 사용되고 있는 스테인레스 강을 대체하기 위한 재료로서 본 발명의 비정질 합금을 이용하여 제조된 비정질리본을 사용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예 15에 따른 비정질 합금 조성을 이용하여 제조된 비정질 합금 리본 사진이다. 또한 도 8은 본 발명의 실시예 2, 실시예 7, 실시예 12 및 실시예 15 조성의 비정질 합금리본을 이용하여 고분자 전해질 연료전지 스텍 환경과 동일한 조건에서 실험한 동전위분극시험 결과이다. 동전위 분극시험은 1M H2SO4 + 2ppm HF 용액을 이용하였으며 -0.6V~1.2V의 Potential 범위에서 측정하였다. 표 2에 각 합금조성에 따른 비정질 리본의 동전위분극실험 결과를 정리하였다.
[표 2]
Figure 112013050834413-pat00002
표 2에 의하면 현재 금속계 바이폴라 플레이트 재질로 사용되고 있는 스테인레스 강판의 경우 부식전류밀도가 5.60 x 10-5 A/cm2로 측정된 반면, 본 발명의 Zr기 비정질 합금리본의 경우 1.78 x 10-8 A/cm2의 부식전류밀도가 얻어짐을 확인하였다. 이는 본 발명의 비정질 합금리본의 부식특성이 스테인레스 강판에 비해 매우 우수함을 증명하는 것이다.
그림 8은 본 발명의 실시예 2, 실시예 7, 실시예 12 및 실시예 15 조성의 비정질 합금리본을 이용하여 측정된 동전위 분극시험 결과를 도해하는 그래프이다. 스테인레스 강판의 경우 연료전지 스텍의 작동환경인 1.0V의 부식전위에서 과부통태 반응에 의한 부식현상이 발생하는 것이 확인되었으나, 본 발명의 실시예에 따른 비정질 합금리본의 경우 연료전지 스텍의 작동환경인 0.6~1.2V 범위의 부식전위에서 부동태 반응 후, 더 이상의 부식이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 비정질 합금조성을 이용한 비정질리본의 경우 연료전지 스텍 사용환경에서 우수한 내 부식성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. Zr이 67원자% 내지 78원자%, Co가 4원자% 내지 9원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15원자% 내지 24원자%로 이루어지고, 비정질 형성능이 0.5mm 이상인, Zr기 비정질 합금조성물.
  2. Zr이 67원자% 내지 78원자%, Co가 4원자% 내지 12원자%, Cu 및 Ni 중에서 선택된 어느 하나 이상이 15원자% 내지 24원자%로 이루어지고, 비정질 형성능이 0.5mm 이상인, Zr기 비정질 합금조성물.
  3. Zr이 67원자% 내지 78원자%, Al이 3원자% 내지 10원자%, Co가 2원자% 내지 9원자%, Cu가 17원자% 내지 23원자%로 이루어지고, 비정질 형성능이 0.5mm 이상인, Zr기 비정질 합금조성물.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합금조성물은 상기 합금조성물의 용탕을 104 K/sec 내지 106 K/sec 범위의 냉각속도로 주조시 20㎛ 내지 100㎛ 범위에 주조두께로 비정질리본을 얻을 수 있는 합금조성물인, Zr기 비정질 합금조성물.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 상기 합금조성물과 동일한 조성의 비정질 리본을 이용하여 제조된 연료전지용 바이폴라 플레이트.
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