KR20050044500A - 이온 플라즈마 증착 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캐소드 아크 증착을 사용하여 기판(40)의 표면상으로 박막을 증착하기 위한 프로세스 및 장치(10)에 관련한다. 본 프로세스 및 장치(10)는 진공 챔버(12)내에 배치된 타겟 재료의 캐소드(14)를 포함하고, 이는 입자 성분의 플라즈마로 타겟 재료를 증발시키기 위해 아크를 생성하도록 전력 공급된다. 플라즈마 성분은 캐소드(14)를 둘러싸는 적어도 제 1 아노드 및, 제 1 아노드에 인접 배치된 제 2 아노드에 의해 생성된 전자기장에 의해 기판을 향해 선택, 제어 및 안내된다. 부가적인 아노드 구조체 및 가변 하전 스크린이 사용되어 플라즈마 성분의 추가적 제어를 제공할 수도 있다. 촉매층, 도전층 및 중합성 양자 교환막을 포함하는 유형의 연료 전지를 제조하기 위한 본 프로세스 및 장치(10)의 용도도 개시되어 있다.

Description

이온 플라즈마 증착 장치{Ionic plasma deposition apparatus}

본 발명은 다음과 같은 미국 일부연속 특허출원을 주장한다: 그 설명이 참고로 본원에 합체되어 있어 있으며 2001년 11월 15일자로 출원되었으며, 발명의 명칭이 "일체로 연료 전지 성분 및 그것을 제조하기 위한 방법"인 미국 일부연속출원 번호 제 60/335,689 호와; 본원에 합체되어 있으며 2002년 5월 1일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 "진공 아크 이식 장치 및 진공 아크에 의하여 발생되는 플라즈마 주입 장치"인 미국 일부 연속출원 제 60/376,893.

본 발명은 기판에 박막을 증착하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 기판위로 또는 그 기판내로 하나 이상의 물질을 적용하기 위하여 캐소드 아크 방전에 의하여 발생되는 플라즈마의 다양한 성분을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 플라즈마 성분을 제어하는 것은 변화되어 충전되는 스크린과 같은 다른 장치의 부가의 사용을 통하는 것을 물론 아노드에 의하여 발생되는 제어되거나 또는 균형되는 전자기력의 사용을 통하여 얻어진다. 상기 장치와 방법은 넓은 다양성의 장치의 제조에 유용하지만, 연료 전지의 제조에 특히 유용하다.

진공에서 캐소드 아크에 의하여 기판에 재료의 박막의 증착은 본 기술분야에서 공지되어 있다. 이러한 증착은 코팅 물질로부터 형성되는 캐소드와 아노드사이에서 진공에서 아크를 설정하는 것을 포함하고, 이것은 코팅을 위하여 적절한 아노드 재료의 플라즈마의 발생을 발생시킨다. 공지된 캐소드 아크 증착 방법이 특정 적용을 위하여 유용할지라도, 이들은 몇몇 단점을 겪게된다. 예를 들면, 상기 재료를 가진 기판은 공지되지 않은 마이크로-입자, 이온 및 에너지 전자의 단지 하나의 결합으로서 증착된다. 아크의 제한 설계는 빈번한 세척을 요구하고, 오염적인 문제점은 상기 아크 스폿이 캐소드에 인접된 비음극의 질화 재료를 접촉할 때에 발생할 수 있으며, 자주 비싼 코팅 재료의 소비는 값비싼 금속을 교정하기 위하여 필요한 입자 제어의 부족과 타켓 재료의 불충부한 사용으로 인하여 발생될 수 있다. 또한, 이러한 방법은 선택되지 않거나 또는 제어되지 않는 다양한 크기의 입자를 형성하고, 이것은 균일하지 않은 코팅의 증착으로 이끌 수 있다. 통상적으로 이러한 방법은 매우 고온의 온도로 가열되는 것을 요구하고, 이것은 기판 재료에 손상을 발생시킬 수 있고, 기판의 선택을 제한한다.

다양한 필터링 장치는 이온과 전자 흐름의 방향을 보다 양호하게 제어하기 위하여 발전되어져 왔다. 이러한 필터는 나선형 전자기장에서의 흐름을 압박하기 위하여 와이어 또는 튜빙의 전자기 코일의 사용을 포함한다. 마이크로 입자의 축방향 포획을 오프시키는 부가의 만곡은 마이크로 입자가 필터할 때에만 이들 장치의 사용을 강조시킨다. 상기 아크는 기판에서 실질적인 증착비를 만들기 위하여 충분한 이온화를 성취하도록 캐소드의 원형 표면주위에서 스캔되거나 또는 가압되어야만 한다. 이러한 점은 나선형 궤적을 발생시키는 교차하는 필드로 인한 것이며, 이것은 상기 전가 장치의 중심아래의 단일 경로에 대하여 집중하기 위하여 가압되는 원형 아노드의 중심에 대하여 이온 스트림을 집속한다.

이온 비임의 벤딩의 기술은 가스 분석 장비에서 궤적 배향 손실을 감소시키기 위하여 선형 필드 라인의 장점을 나타낸다. 이러한 기술은 궤적 손실을 제한하기 위하여 플라즈마 성분의 보다 양호한 제어에 필요성을 강조시키고, 종래기술의 캐소드 아크로서 이온과 중성 입자의 분류에 대하여 상기 발생되는 궤적을 대조적으로 제어한다. 상기 플라즈마 성분 각각에 대한 제어는 특히, 큰 규모의 연료 전지 제조 영역에서 박막을 사용하는 입자를 제조하는 방법을 향상시킨다.

전자화학적인 연료 전지를 제조하기 위한 종래의 방법은 탄소 페이퍼, 페인트, 페이스트와 같은 전기 도전성 재료의 층과, 분리된 중합체 프로톤 교환 박막을 가지는 백금과 같은 금속 촉매를 포함하는 스퍼터된 층을 형성하는 것과, 그 다음에 상기 층을 함께 본딩을 위한 값비싼 방법을 포함한다. 이러한 층은 균일한 두께가 될 수 있으며, 상기 층의 두께는 전기 도전성 및 양자 도전성과 같은 성질에 영향을 미칠 것이다. 또한, 상기 두꺼운 층을 함께 본딩하는 것은 상기 층사이의 인터페이스 성질에 영향을 줄 수 있으며, 이것은 연료 전지의 표면 저항을 증가시킬 것이며, 이것은 낮은 전기 도전성 및 양자 도전성을 발생시킨다.

도 1은 본 발명의 원리에 따라서 구성되는 일반적인 장치의 개략적인 도면.

도 2는 본 발명의 장치의 하나의 실시예에 사용되는 이중의 동축 코일 장치의 개략적인 도면.

도 3은 실린더의 단부를 향하여 코일의 장치를 도시하는 도 2의 이중 코일의 개략적인 도면.

도 4는 본 발명의 장치의 제 2 실시예의 개략적인 도면.

도 5는 도 4의 장치의 전기 공급 시스템의 선택의 개략적인 도면.

도 6은 스크린 장치와 관련되어서 도 4의 장치의 아노드 구조체의 사시도.

도 7a는 개방된 위치에 있는 스크린 장치를 가지는 스크린 장치를 사용하는 장치의 개략적인 도면.

도 7b는 폐쇄된 위치에 있는 스크린 장치를 도시하는 도 7a의 장치를 도시하는 개략적인 도면.

도 8은 본 발명의 장치와 방법에 따라서 제조되는 연료 전지의 개략적인 단면도.

도 9는 본 발명의 장치 및 장치에 따라서 제조되는 연료 전지의 단면도.

도 10은 본 발명의 장치와 방법에 따라서 제조되는 일련의 적층된 연료 전지의 단면도.

도 11은 연료 전지를 제조하기 위하여 사용되는 본 발명의 다른 장치의 개략적인 도면.

본 발명의 목적은, 기판 재료에 도달하는 플라즈마 성분을 제어할 수 있는 진공 아크 플라즈마 증착 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 다양한 입자 크기, 비정질의 연속적인 막 및 다중층에서 결정성 구조체를 가지는 동일한 장치로 나노 구조로 발생시킬 수 있는 진공 아크 플라즈마 증착 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 진공 아크 플라즈마 증착 방법 및 장치가 상기 연료 전지의 도전성이고, 촉매적이며 양자의 교환막층을 형성하기 위하여 사용되는 연료 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 일체로된 연료 전지층의 형성을 발생시키며, 그래서 복잡한 페이스팅, 프린팅 및 본딩 기술을 사용하는 것을 제거시키는 연료 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은 기판의 표면위로 또는 그 내로 박막을 증착하기 위한 방법 및 장치를 제공하고, 여기에서 진공 챔버내의, 타켓 재료의 캐소드가 입자 성분의 플라즈마내로 캐소드에서 발생되는 아크에 의하여 증발된다. 상기 플라즈마 성분은 캐소드 근처의 적어도 제 1 아노드와, 상기 제 1 아노드에 인접되게 위치되는 제 2 아노드에 의하여 발생되는 전자기장에 의하여 선택되거나, 제어되거나 또는 그곳을 향하게 된다. 또한, 부가의 아노드 구조체와, 가변적으로 충전되는 스크린은 플라즈마 성분의 부가적인 제어를 제공하기 위하여 사용된다. 상기 방법과 장치는 촉매층, 도전층, 중합 양자 교환 박막 및 고상 산화물 박막을 사용하는 형태의 전기화학적인 연료 전지를 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 플라즈마 성분의 제어는 어떠한 목적을 위하여 박막의 성질을 형성하기 위한 능력을 크게 향상시킨다.

본 발명의 특정의 특징과 장점은 첨부된 도면과 관련되는 다음의 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

본 발명은 선택된 기판에서 재료의 박막을 증착하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 코팅될 기판은 금속, 세라믹, 플라스틱, 글라스, 가요성의 박판 또는 이것의 조합과 같은 거의 어떠한 재료가 될 수 있다. 이와 유사하게, 상기 박막 재료는 진공에 융화성이 있는 어떠한 고상 금속 또는 금속의 조합이 될 수 있다. 이러한 금속의 예는 니오븀, 탄탈, 하프늄, 지르코늄, 티타늄, 크롬, 니켈, 동, 백금, 금 및 은이다. 이온화될 때에, 상기 박막 재료는 예를 들면, 질화물, 탄화물, 산화물 및 이들의 조합의 합성물을 발생시키기 위하여, 질소, 탄소 또는 산소를 포함하는 다양한 반응성 가스로 조합될 수 있다. 상기 이온화된 박막 재료는, 높은 순도의 박막 재료를 얻기 위하여, 아르곤과 같은 불활성 가스로 결합될 수 있다. 또한, 상기 박막 재료는 다양한 나노 구조체와 비정질 다이아몬드 막의 발생을 위하여 탄소와 같은 반(semi)-도전성 재료가 될 수 있다. 상기 박막은 구별되는 입자 크기와, 비정질 또는 결정성 구조를 매우 잘 제어되게 산재되는 구조체내로 증착시킴으로써 다수의 침착 재료의 촉매 반응성을 향상시키는 것과 같은 다양하고 넓은 범위의 목적을 위하여 상기 기판위에 코팅될 수 있다. 또한, 상기 방법은 장식적인 가공을 부가시키거나, 또는 상기 기판의 색깔 또는 장식적인 특성을 향상시키거나, 또는 전자기적인 간섭, 고주파수 간섭, 정전기적인 방전에 대하여 차폐하고, 그리고 기판에 대한 향상된 도전성, 촉매 반응성 또는 반사성질을 부여하기 위하여, 기판의 부식 저항, 마모 저항, 화학적인 저항, 마모 저항을 위하여 하나 이상의 통상적인 결정 질화물을 형성하기 위한 능력을 또한 가진다.

도 1에서, 본 발명의 이온 플라즈마 증착 장치의 개략적인 도면이다. 상기 장치(10)는 수증기를 제거하고, 대기 가스 및 잠재적인 오염물이 없는 환경을 제공하기 위하여, 10 x 10-5 Torr범위에서 베이스 압력으로 펌프되는 진공 챔버(12)를 포함한다. 캐소드(14)는 중심축(15)을 가지며, 상기 챔버의 중심 근처에 배치된다. 상기 아노드는 원통형, 구형, 탄원형 또는 직사각형 또는 어떠한 긴 형상이 될 수 있으며, 어떠한 길이로 될 수 있다. 상기 길이는 시스템의 나머지로서 스케일 업 되거나 또는 다운될 수 있는 매우 긴 소스를 구동시키기 위하여 필요한 입력 파워에 의해서만 제한된다. 상기 캐소드는 이온화되고, 선택된 기판내로 침착되거나 또는 이식되는 재료용의 소스로서 사용된다. 파워 공급부(22 및 24)는 각각 캐소드의 단부(16,18)에 연결되며, 다수의 아노드에 연결되거나 또는 진공 챔버에 접지된다. 상기 파워 공급부는 아노드 재료의 이온화를 위한 아크를 발생시키고, 전류 출력과 다른 전자기적인 특성에서 매칭된다.

상기 파워 공급부(22,24)로 부터의 전류는 캐소드 재료의 정밀한 제거를 위하여 가변적으로만 될 캐소드 재료의 저항성을 허용하고, 또한 상기 아크가 운행하게 되는 곳을 결정할 수 있는 방법으로 매칭된다. 종래 기술은 아크를 보다 빠르게 조향하고, 보다 작은 마이크로 입자의 해로운 발생으로써 운행의 방향을 스위치하면서, 보다 큰 마이크로 입자를 감소시키는 것으로 시도된다. 연장가능한 스위칭 장치 및 센서는 본 발명에서는 필요가 없다. 종래 기술의 스위칭 및 센싱 장치는 캐소드의 불균일한 마모를 발생시키고, 이것은 상기 타켓 크기가 변화하게 될 때에 일정한 보정을 요구하며, 최소의 코팅 발생이후에 유지를 필요로 하며, 본 발명과 비교하여서 보다 침착 불균일성을 향상시키게 된다. 본 발명은 다음의 아크 스플릿 전류의 위치를 바로 통과하는 높은 전류에서 아크 스폿을 구동하기 위하여 캐소드 그 자체의 변화하는 저항성에 의존하게 된다. 상기 아크 스플릿 전류는 각 재료 또는 합금용으로 경험적으로 형성되고, 아크 스폿에서 전류 세기의 분할을 발생시킨다. 상기 스플릿 임계값 바로 아래의 전류 레벨은 마이크로 입자의 가장 큰 양은 해체시키며, 상기 표면위의 아크 운행을 상당히 느리게 한다. 상기 스플릿 임계값 바로 위의 전류 레벨은 상기 타겟 표면위에 확산시키기 위하여 아크를 보다 균일하게 발생시키며, 각 스폿에서의 보다 낮은 전류세기와 용융된 중성 입자 물질에서의 연속적인 감소로 인하여 마이크로 입자를 보다 빠르게 이동시키고 보다 느리게 방출시킨다. 아크 스폿 스플릿은 10 amps 내지 1000 amps범위에서 여러분 발생하게 된다. 이러한 점은 파워 공급부가 정밀하게 전류 제어되게 하고, 상기 바람직한 스플릿 전류 바로 위의 레벨에서 모니터되도록 허용한다. 길게되는 만큼, 상기 파워 공급부는 완벽하게 매칭되고 변화하지 않는다. 상기 캐소드 재료의 내부 저항에서의 변화는 타켓의 모든 곳에서 매우 향상되게 균일한 경로에서 상기 아크를 발생시킨다. 상기 저항은 캐소드 표면에서 표면 형상에서 발생되는 전류세기의 발생에 의하여 결정된다. 상기 아크 스폿이 재료를 제거할 때에, 이것은 플라즈마 필드에서 다음의 표면형상의 높은 포인트로 이동하게 된다. 상기 플라즈마를 향하는 이러한 운동은 플라즈마에서의 충전의 교환으로 부터 숨겨지게 되는 타켓의 단부로 부터 아크를 유지시킨다.

이러한 모드는 보다 작은 아크 스폿으로 인하여 보다 균일하고 보다 덜 용융되는 재료를 제공하는 보다 많은 아크 스폿 영역에서는 확산되는 중성 입자의 발생을 보다 덜 가지는 높은 전류의 장점을 제공한다. 이러한 연속적인 작용은 증착된 재료의 완벽한 균일성과, 캐소드에서의 마모가 없는 패턴을 발생시키며, 전체 길이와, 반경방향으로 360도에 걸쳐서 가장 양호하게 얻을 수 있는 타켓 균일화를 제공한다.

제 1 또는 내부 아노드(30)는 캐소드의 길이에 인접하거나 둘러싸는 업 및 다운 구조의 형태로 되어 있다. 이 구조는 각각의 아노드 콤포넌트의 중심 영역 쪽으로 보다 강하고, 단부들에서 방향을 변화시키는 자계를 생성한다. 이 아노드는 캐소드로부터 배출된 대전된 입자들로 하여금 캐소드의 전체 길이를 따라 아노드 콤포넌트들 사이의 궤도를 형성하도록 한다. 제 2 또는 외부 아노드(34)는 기판(40)쪽으로 선형 곡선된 궤적으로 전자들 및 이온들을 안내하도록 캐소드의 길이를 따라 장착된다. 강화된 전자계는 아크 스폿 주행을 강화하고 기판에서 균일한 증착을 보장하는 균일한 플라즈마 구성 흐름의 큰 영역을 형성한다. 생성된 자계들은 조정될 수 있고, 아노드 구조들은 나선형 아노드들에 대한 작은 영역으로 플라즈마 스트림을 집속하는 나선형 자계들을 교차함으로써 자발적인 균일한 증착의 임의의 길이를 제공하도록 변경된다.

내부 및 외부 아노드 구조들(30 및 34)은 기판쪽으로 대전된 입자 흐름을 안내하여 매크로 입자들을 스크린하기 위해 함께 동작한다. 또한, 다중 아노드 구조들의 전자계는 아크 스폿으로 하여금 장치가 원하는 모드인 경우에 매크로 입자들의 보다 적은 형성으로 캐소드 재료의 보다 완전한 이온화를 일으키는 캐소드의 표면을 통해 고속으로 실행시킨다. 또한, 본 장치는 전자계들의 상대적인 강도를 조정하고, 반응 기체 및 불활성 기체 압력을 조정하고, 아노드 구조들의 스크리닝 효과를 조정함으로써 사이즈들이 변화하는 마이크로, 나노 및 메소-입자들로 제어시킬 수 있다.

코팅될 기판(40)은 다중 아노드 구조들의 필드들에 의해 제어되는 균일한 플라즈마로 연속된 노출을 제공하도록 소정의 거리에서 캐소드 장치 주위에 배치된다. 기판(40)은 진공 챔버로부터 전기적으로 절연되고 증착 프로세스 동안 전원(42)으로부터 인가된 가변 바이어스 전압으로 기판 재료가 롤링되거나 회전될 수 있다. 도 1에는 단지 하나의 기판 정착물이 설명되어 있지만, 도 7에 도시된 것처럼 대량의 다중 기판들 또는 코팅될 물품들(articles)이 한번에 디바이스 주위에 배치될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 연료 전지 응용들을 위해 동시에 두 번 3번 이상 개별 프로세스 단계들에 대한 프로세스 파라미터들과 많은 응용들을 위해 다층 재료들의 큰 면적의 롤(roll)들을 제어하는 능력을 리파인닝(refine)을 위해 단일, 분할된 진공 챔버(도 11 참조)내의 다수의 캐소드들을 제공할 수 있다.

동작에 있어서, 플라즈마는 전원 공급으로부터 캐소드에 저전압의 에너지를 입력함으로써 생성된다. 전형적으로는 10 내지 50 볼트의 범위의 전압들이 된다. 가변 전류의 전기 아크는 아크 스폿이 캐소드의 표면상에 있도록 아노드 코일들과 캐소드 사이에 발생된다. 아크는 캐소드 재료를 이온 입자들 및 중성 입자들로 기화시켜, 기판 또는 코팅될 기판쪽으로 입자들을 고속으로 배출한다.

본 발명의 다중 코일 장치는 매크로-입자들의 형성을 제한하고 형성하는 그들 입자들을 포착하며, 소정의 이온화된 입자들을 기판 재료쪽으로 안내하는 많은 응용들에서 동작한다. 그러나, 플라즈마 구성 요소들의 다른 제어는 특정 아노드 구조 장치들의 이용과 부가적인 아노드 스크린 구성 성분들 및 그라운드 실드 구성 성분들의 사용을 통해 얻어 질 수 있다. 이들 부가적인 구성 요소들 또는 장치들은 특정 구성 성분의 플라즈마 입자들 입자들의 조합들의 선택을 허용한다. 특히 선택될 수 있는 구성 입자들은 타켓 캐소드 재료들, 매크로 입자들, 마이크로 입자들 및 나노 구조 입자들 및, 특정 입자 집단 사이즈들을 갖는 원자의 중성 원자들 및 입자들의 전자, 단일 및 다중 이온화된 상태들을 포함한다. 예를 들어, 가능한 조합들은 도 7a에 도시된 것처럼, 이온들 및 전자들이 없는 단지 나노 입자들 또는 중성 입자들만을 포함하는 증착을 포함한다. 가능 조합들을 제한하지 않는 다른 예는 도 7b에 도시된 일부 전자 흐름과 이온 재료들만의 증착이 된다. 선택된 플라즈마 구성들의 많은 다른 조합들은 본 발명의 조정 가능한 아노드 구성 요소들을 이용하는 것이 또한 가능한다.

플라즈마 구성들의 선택은 아노드 구조들에 의해 전자계들의 특정 구성들을 얻기 위해 아노드 구조들 또는 구조들의 조합들을 배열함으로써 성취된다. 또한, 플라즈마 건(gun) 디바이스들의 기술에 공지된 디바이스와 유사한 일정치 않게 대전된 메쉬 스크린 디바이스들은 아노드 구조들과 조합하여 이용될 수 있다. 이용된 메쉬 스크린의 사이즈를 변화시킴으로써, 나노 입자들 및 매크로 입자 제어 및 흐름 정렬은 성취될 수 있다.

아노드 구조들의 특정 장치들을 설명하는 한 실시예는 도 4에 도시되어 있다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 이 실시예는 타겟 재료로 구성된 캐소드(54)가 중심으로 배치된 진공 챔버(52)를 포함한다. 전력 소스(68)로부터의 전력은 캐소드(54)와 접지 전위 사이에 공급되어 캐소드 재료의 이온화를 위한 아크를 플라즈마에 발생한다.

아크는 캐소드에 인접하게 배치된 바운싱 스트라이커(bouncing stricker)(55)에 의해 유지 또는 재시작된다. 바운싱 스트라이커(55)는 행거 어셈블리로부터 캔틸레버(cantilevered)된 텅스텐으로부터 형성된 로드 또는 와이어가 된다. 기체 매니폴드(gas manifold)(58)는 바운싱 스트라이커에 인접하게 배치되어 바운싱 스트라이커의 자유 단부에 아르곤 기체의 고압 펄스 또는 버스트를 공급한다. 고압 펄스는 스트라이커를 캐소드 표면에 아주 근접하게 누르기 때문에, 스트라이커는 캐소드에 거의 접촉한다. 상기 캐소드에 대한 스트라이커의 근접은 아크를 점화시킨다. 센서는 아크 전류에서의 어떠한 고장도 검출하기 위하여 사용되며, 아크를 발생시키거나 지속시키기 위해 필요한 아르곤 가스 버스트를 공급한다. 이와 같은 스트라이커 장치는, 그와 같은 기계 장치가 고장나고 빈번히 대체되거나 재생될 필요가 있으므로, 아크를 지속하기 위해 사용되는 종래 기술의 기계 장치 이상으로 개선된다. 그것은 또한 증착 공정 동안 불안정한 가스 역학을 발생사는 스트라이커없이도 아크를 개시하기 위한 훨씬 높은 국부적 압력을 필요로 하는 가스 버스트 장치 이상으로 개선된다. 이와 같은 강한 스트라이커 작용은 근본적인 방식으로 진동을 발생시키는 캐소드으로부터 유래하는 충격 물질에 의해 일정하게 재생된다.

제 1 아노드 구조체(56)는 캐소드(54)에 대해 증착된다. 상기 제 1 아노드 구조체(56)는 일련의 연결 루프(57) 안에 형성된 중공관을 포함하며, 각각의 루프는 하부 절곡부(57a), 상향 직선부(57b), 및 상부 절곡부(57c)를 포함한다. 상기 제 1 캐소드의 루프들은 루프들의 상향 직선부(57b)가 캐소드(54)로부터 이격되나 그로부터 함께 둘러싸도록 배열된다.

상기 제 1 아노드(56)는 캐소드(54)와 제 1 아노드(56) 사이에 전자기장를 발생시키기 위해 0 내지 300 암페어, 0 내지 100 볼트를 포함하는 전력원(69)에 연결된다. 상기 제 1 아노드는 전류 부하를 운반하고 전자기장를 발생시킬 수 있는 어떠한 물질로 제조될 수 있다. 구리, 알루미늄, 스테인레스강, 및 기타 전도성 재료들이 적합한 아노드 물질로 사용된다. 물 및/또는 글리콜과 같은 냉각 유체가 상기 아노드를 과열로부터 방지하기 위해 제 1 아노드(56)를 형성하는 중공관 안으로 도입될 수 있다. 상기 제 1 아노드에 의해 발생되는 전자기장은 플라즈마로부터 상기 캐소드를 즉시 둘러싸거나 또는 캐소드와 인접하는 영역으로 에너지 전자들을 한정하기 위해 작동되며, 반면, 제 2 아노드(60)로 이온들을 안내하는 것을 촉진한다. 상기 전자기장은 또한 음극의 표면상에 아크의 이동을 가속화하는 것을 촉진시킨다.

상기 제 2 아노드 구조체(60)는 복수의 아노드 콤포넌트(62)를 포함하며, 각각의 소자들은 제 1 아노드의 루프들과 유사한 일련의 연결 루프들(63)이다. 또한 상기 제 1 아노드와 마찬가지로, 각각의 제 2 아노드 콤포넌트들은 구리나 또는 기타 적합한 물질로 제조된 중공관으로 형성되며, 냉각 유체가 흐를 수 있다.

각각의 제 2 아노드 콤포넌트(62)는 제 1 아노드(56)의 루프들의 상향 직선부(57b)에 인접 위치되며, 진공 챔버(52)의 벽을 향해 상향 직선부(57b)로부터 외향으로 방사된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 제 2 아노드 콤포넌트(62)는 상기 진공 챔버의 벽을 향해 연장함에 따라 만곡된다. 상기 제 2 아노드 콤포넌트들(62)은 서로 전기적으로 접속되며, 상기 제 1 아노드를 제공하는 전력원에 접속되거나, 또는 개별 전력원(71)에 접속될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 아노드에 의해 발생하는 전류와 전자기장의 양호한 제어는 상기 제 2 아노드 구조체(60)가 자체 전력원에 접속될 경우 성취될 수 있다.

상기 제 2 아노드용 전력원은 각각의 제 2 아노드 콤포넌트(62)에서 전자기장을 발생시킨다. 효과적으로, 상기 전자기장들은 이온화 입자 및 전극들을 2개의 연속 아노드 콤포넌트들(62) 사이의 쌍곡선 통로로 이동시키는 만곡 벽들로서 작용한다. 상기 아노드 콤포넌트들(62)은 외단부들에 높은 음전위를 가지며, 상기 2개의 아노드 콤포넌트들 사이로 이동함에 따라 상기 입자들을 가속화한다. 그 결과 기판의 전체 길이에 걸쳐 분산된 균일한 비상 경로에 기판이 도달하는 이온 물질의 선형 컬럼이 형성된다. 본 발명에 따른 개선된 분산은 어느 정도는 제 2 아노드 구조체의 자장 라인, 및 종래 기술의 코일 권선된 "필터 아크"에서 보듯이 아노드 구조체의 상부와 하부를 따르는 수축 필드 라인의 결핍에 기인한다. 상기 종래 기술은 포커스 빔 안으로 충전된 입자들을 나선 회전하는 필드 라인에 필적하는 동심원을 발생시키는 캐소드면과 수직 방향으로 감싸인 다중 코일을 갖는 평면 캐소드들의 필터링에 대해 설명한다. 이과 같은 장치는 다수의 부품과 큰 영역의 균일한 증착을 허용하지 않는다. 본 발명은 플라즈마 전위에 대해 부동하는 아노드의 각 단부에 세라믹 구조체를 사용한다.

제 3 아노드 콤포넌트(70)는 각각의 제 2 캐소드 소자(62)의 각 단부에 위치한다. 각각의 제 3 아노드 콤포넌트는 제 2 아노드 콤포넌트의 단부와 일직선상에 정렬되는 제 1 직립 패널부(72)와, 진공 챔버벽을 향해 상기 제 1 패널(72)의 중심으로부터 수직으로 연장하는 제 2 패널부(74)를 포함한다. 따라서, 상기 제 3 아노드 콤포넌트들(70)은 T-형 단면을 갖는다. 상기 패널부(72,74)는 구리 또는 기타 적합한 물질로 제조되며, 납땜 또는 당업계에 널리 알려진 어떠한 적합한 수단에 의해 T-형 제 3 아노드 콤포넌트를 형성하기 위해 함께 결합된다.

냉각 튜브(76)는, 상기 제 2 아노드 콤포넌트(62)의 단부에 인접한, 상기 패널들(72,74)에 의해 형성된 내부에 직각으로 위치한다. 상기 냉각 튜브(76)는 상기 전자 유동을 지시하도록 소정의 경사로 접지 또는 설정되는 제 3 아노드 콤포넌트를 냉각시키기 위해 물 또는 기타 냉각 유체를 포함한다. 증착될 소정 물질에 기초하여 진공 챔버의 영역에 아르곤, 산소, 질소, 또는 기타 가스를 공급하기 위한 가스젯 매니폴더(78)가 상기 패널들(72,74)에 의해 직각으로 형성된 외부에 위치한다. 상기 가스젯 매니폴더는 적합하게도 전자 유동으로부터의 가열 조립에 기인한 세라믹 물질로 제조되나, 기타 다른 물질도 사용될 수 있다.

제 3 아노드 콤포넌트(70)는 서로 전기 접속되며, 접지 전위 또는 다른 사전결정된 기저 전위로 존재한다. 이들 콤포넌트는 제 2 아노드 콤포넌트 사이를 통과하는 전자를 끌어당기도록 기능하며, 이온 입자가 코팅 대상 기판 또는 기판들을 향한 그 쌍곡선 경로에서 지속되게 한다.

코팅 대상 기판은 진공 챔버(52)의 벽 둘레에 배열된 턴테이블(80)상에 배치된다. 각 턴 테이블은 중앙축(82)을 가지며, 중앙 축 둘레에서 회전한다. 턴테이블은 또한 진공 챔버의 벽 둘레로 함께 회전할 수 있다. 대안적으로, 턴 테이블은 진공 챔버 둘레에서 동시에 회전하면서, 그 중앙축 둘레에서 회전할 수 있다. 별개의 파워 서플라이(81)로부터의 음 바이어스 전압은 턴테이블(80)에 인가되고, 결과적으로, 그 위에 배치된 기판에 인가되며, 그래서 기판은 접지에 관하여 음으로 하전된다.

턴테이블은 턴테이블이 두 개의 제 2 아노드 콤포넌트(62) 사이의 경로내에 배치되도록 배열된다. 이 배열은 제 2 아노드 콤포넌트 사이로부터 배출되는 이온 입자의 직접 경로내에 기판이 존재할 수 있게 한다. 이온 입자는 음으로 하전된 기판을 향해 가속하고, 따라서, 단지 선택된 이온 입자로 기판을 코팅한다.

매크로 입자 유동의 제어는 도 4에 도시된 실시예의 각 제 2 아노드 콤포넌트에 스크리닝 디바이스를 배치함으로써 달성될 수 있다. 이 스크리닝 디바이스는 또한 도 6, 7a 및 7b에 보다 명확히 도시되어 있다. 스크리닝 디바이스(90)는 세라믹 스탠드오프상에 증착되고, 제 2 아노드 콤포넌트의 전체 길이의 이면측에 바로 인접하게 배치된다. 스크리닝 디바이스는 메시 스크린인 것이 적합한 중앙 스크린(94)에 의해 중단된 고상 벽(92)을 포함한다. 스크린의 메시 크기는 스크린을 통과할 수 있게 되는 또는 스크린을 통과하도록 제어되는 것이 적합한 입자의 크기에 의존하여 변할 수 있다. 스크린(94) 바로 뒤에는 게이트가 스크린(94)에 바로 인접하여 스크린을 통과하는 매크로입자를 차단하는 폐쇄 위치와, 게이트(96)가 스크린(94)으로부터 멀어지는 방향으로 이동되어 매크로입자가 그를 통과할 수 있게 하는 개방 위치 사이에서 이동가능한 힌지식 고상 게이트(96)가 존재한다. 이 스크린은 본 기술에 공지된 소정의 수단에 의해 제어 및 이동될 수 있다. 예로서, 체인 구동부가 세라믹 스탠드오프상에 장착된 구동 기어를 구동하여 게이트(96)가 그 개방 위치와 그 폐쇄 위치 사이에서 또는 개방과 폐쇄 사이의 소정 위치로 이동할 수 있게 한다. 스크리닝 디바이스의 게이트(96)가 폐쇄될 때, 매크로입자는 고상 벽(92)에 대하여 충돌하고, 도 7b에 도시된 바와 같이 기판에 도달하는 것이 방지된다. 일부 또는 모든 매크로입자가 기판에 도달할 수 있게 하는 것이 필요한 경우에, 게이트(96)가 개방되어 사전결정된 크기의 매크로입자가 스크린을 통과하여 기판에 접촉할 수 있게 할 수 있다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 게이트(96)가 개방 위치에 있을 때, 그 자유 단부는 다음 인접한 아노드 콤포넌트 부근에 존재한다는 것을 인지하여야 한다. 이 위치에서, 게이트(96)는 두 제 2 아노드 콤포넌트(62) 사이의 이온 경로를 폐쇄하여 이온 입자가 기판에 도달하는 것을 방지하며, 단지 원하는 크기의 중성 입자만이 스크린(94)을 통과하여 기판에 도달할 수 있게 한다. 성분 플라즈마 입자의 추가 제어는 원하는 강도의 전자기장을 획득하기 위해 제 1, 제 2 및 제 3 아노드 콤포넌트(56, 60, 70) 각각에 공급되는 전류를 규제 및 제어함으로써 획득될 수 있다.

플라즈마 성분을 선택 및 제어하는 기능은 본 발명이 광범위하게 다양한 기술의 재료의 제조에 사용될 수 있게 한다. 예로서, 장치는 전계 방출 디바이스, 초도전체 및 반도체 디바이스, 자기 디바이스, 에너지 저장 디바이스, 촉매 디바이스, 광전지 디바이스 및 전자 디바이스의 제조에 사용될 수 있다. 본 발명의 장치 및 프로세스의 한가지 특히 유용한 용도는 연료 전지의 제조이다. E라서, 본 발명은 또한 연료 전지의 제조를 위한 프로세스를 포함한다.

종래의 연료 전지 제조 방법에서, 연료 전지 스택의 각 층은 개별적으로 제조되고, 그후 이 층이 함께 접합된다. 그러나, 본 발명의 프로세스 및 장치를 사용하여, 연료 전지 스택의 각 층은 선행 층내에 증착되어 접합층 또는 정교한 접합 기술을 필요로 하지 않고 균일한 층이 형성 및 통합될 수 있게 한다.

도 8 내지 도 10을 참조하면, 플라즈마 증착 프로세스에 의해 제조된 연료 전지의 일 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예는 기판(130)상에 도전층 및 촉매층을 형성하고, 그후, 촉매층상에 중합성 양자 교환막을 형성하고, 그후, 중합성 양자 교환막상에 부가적인 촉매 및 도전층을 형성하는 것을 포함한다. 연료, 공기 및 물 반응제의 수송을 위한 연료 채널(133) 및 공기 채널(135)로서 기능하는 통합 다공성 LCP 채널(131)을 가지는 액정 폴리머(LCP)형 플라스틱 케이스가 기판 재료로서 사용된다. 이런 LCP 케이스는 성형, 열성형 또는 압출될 수 있다. 폴리부타디엔(PBD) 및 폴리에틸렌 같은 성형 또는 열성형될 수 있는 다른 중합성 재료도 기판으로서 사용될 수 있다. 기판은 도 4에 예시된 장치 같은 증착 장치를 통해 배치 또는 스풀링된다. 흑연, 탄소 나노튜브, 다이아몬드형 탄소 또는 그 조합의 형태인 탄소층(32)이 촉매의 촉매 반응성을 향상시키기 위해 또는 전자 도전성 아노드로서LCP 기판상에 증착된다. 탄소층은 진공 아크 증착 장치내에 탄소 재료의 캐소드를 배치하고, 그후, 탄소 타겟 재료를 증발시키고, 탄소 입자를 원하는 입자 크기 및 산포로 LCP 기판상에 증착함으로써 증착된다. 이 탄소 입자는 기판의 일 측면 또는 다른 측면상에 증착되거나, 동시에 양 측면상에 증착될 수 있다.

그후, 촉매 금속층은 원하는 금속의 캐소드를 증착 장치내에 배치하고, 그후, 타겟 재료를 증발시키고, 원하는 크기의 금속 입자를 탄소층상에 증착시킴으로써 탄소층(132)내에 증착된다. 증가된 촉매 활성도는 나노 입자 범위의 이산 중성 입자 크기가 증착되는 경우에 얻어질 수 있다. 촉매 금속 또는 합금은 소정의 VIII족 금속 또는 산화물이나 소정의 금속의 조합일 수 있다. 그러나, 대부분의 연료 전지 용도를 위해, 촉매 재료는 Pt 또는 그 합금이나, Ru-Pt 또는 그 합금이며, 이는 또한 주기표의 VIII족이나 다른 족으로부터의 하나 이상의 다른 금속 또는 산화물을 촉매 효율을 증가시키기 위한 필요에 따라 포함할 수도 있다. Ru-Pt 촉매와 VIII족 산화물층(134)의 증착으로 양호한 결과를 얻을 수 있다.

촉매 금속층이전 또는 이후 중 어느 한쪽에, 금, 탄소 또는 다른 도전성 재료의 다공층(138)이 연료 전지를 통한 전자 흐름을 향상시키기 위해 증착된다. 이 층은 금, 탄소 또는 다른 도전성 재료의 캐소드를 진공 아크 증착 장치내에 배치하고, 타겟 캐소드 재료를 증발시키고, 재료를 촉매 금속층상에 증착시킴으로써 유사하게 형성된다.

고상 폴리머 막 층 또는 층들(140, 142, 144)은 반응성 가스(들)를 진공 챔버의 섹션내로 도입시키고, 플라즈마를 사용하여 가스를 중합시켜 고상 폴리머 막 층(145)을 형성 및 증착시킴으로써 다공성 도전층상에 증착된다. 사용되는 반응성 가스는 예로서, 트리플루오로메틸 설포닉 산 또는 클로로트리플루오로에틸렌 조성물이다. 이들 가스는 메탄 같은 다른 탄화수소 가스와 조합하여 사용될 수 잇다. 2 내지 10mT의 전형적인 가스 흐름 압력이 사용된다. 고상 폴리머 막은 프로토닉 도전성을 가지며, 연료 전지의 양자 교환막으로서 기능한다.

촉매 금속 층(134) 및 도전성 탄소층(132, 138)의 형성은 고상 폴리머 양자 교환막의 각 측면상에 촉매 금속 및 도전성 탄소층을 가지는 구조를 형성하도록 고상 폴리머 막 상에 반복될 수 있다. 비록, 층(132, 150)이 예시의 목적으로 이산 층으로서 도 8에 도시되어 있지만, 각 연속 층이 선행 층으로서 산포되어 도 9에 도시된 바와 같은 통합 층을 가지는 연료 전지를 초래할 수 있다는 것을 인지하여야 한다. 대안 실시예에서, 촉매 금속 및 도전성 탄소층을 양자 교환막상에 형성하는 프로세스를 반복하는 대신, 폴리머 막 층이 도 9에 도시된 바와 같이 만나도록 양자 교환막 층의 형성 이후 절첩되고 연료 전지를 형성하도록 기판의 에지가 밀봉될 수 있다. 이 기판의 절첩은 측면들이 폴리머 막의 각 측면상에 동일한 농도의 층을 갖도록 되어 있는 경우, 완전한 전지의 두 측면을 정렬하는 장점을 갖는다.

비록 증착 장치가 원하는 타겟 재료의 단일 캐소드로 동작할 수 있지만, 연료 전지 용도 및 기타를 위한 장치의 보다 효과적인 동작은 진공 챔버가 셋 이상의 섹션으로 분할되는 경우에 달성될 수 있으며, 각 섹션에는 탄소, 촉매 금속 및 도전성 재료의 각 층의 증착을 위해 타겟 캐소드가 공급된다. 아노드 구조체가 명료성을 위해 제거되어 있는 도 11에 셋 이상의 별개의 캐소드를 채용하는 장치의 일 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 기판(101)은 롤 또는 스풀(102)로부터 풀려져서 진공 챔버(104)내로 공급되는 박판의 형태이다. 복수의 롤러(106)가 진공 챔버 둘레에 이격 배치되고, 셋 이상의 별개의 증착 스테이션(110, 112, 114) 각각을 통해 진공 챔버 둘레로 박판 재료를 이송한다. 제 1 스테이션(110)은 탄소층을 증착하기 위해 예로서 흑연 재료의 캐소드(116)를 사용한다. 다음 스테이션(112)은 예로서, 원하는 촉매 금속의 캐소드(118)를 사용하여 탄소층상에 촉매층을 증착한다. 제 3 스테이션(114)은 예로서, 원하는 도전성 재료의 캐소드(120)를 사용하여 촉매층상에 도전층을 증착한다. 기판은 그후 플라즈마 중합/설폰화 영역(122)으로 전진되고, 여기서, 중합성 양자 교환막이 증착된다. 기판은 그후 권취 롤 또는 스풀(124)상에 권취되거나, 증착 프로세스가 전지 재원에 따라 반복될 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 실시예는 장비 및 타겟 재료 비용을 감소시키는 다른 측면으로의 기판 박판의 플립핑(flipping) 및 기판의 경제적 스풀링을 가능하게 한다. 금 또는 기타 도전성 재료는 도전성을 증가시키기 위해 탄소 이전에 저렴하게 증착될 수 있다.

일반적으로, 증착 프로세스는 완전한 연료 전지 스택에 관해 소정의 방향으로부터 달성되며, 어느 한 단부는 기판일 수 있다. 또한, 장치는 매크로 입자만이 증착되게 하고, 매크로 입자의 크기가 프로세스 파라미터에 의해 제어될 수 있게 하는 구조로 동작할 수 잇다. 이 모드의 응용은 연료 전지의 반응 효율을 최적화하기 위해 변하는 입자 크기로 이루어진 산포된 촉매의 높은 표면적을 가지는 나노구조를 생성하는 것이다. 탄소의 나노구조는 전자 도전을 위한 금의 비정질 연속막에 의해 이어지는 루테늄의 산포도 및 다른 입자 크기로 이어지는 백금의 불연속 크기 입자 산포에 의해 이어질 수 있다. 다른 실시예는 이미 성형 및 압출된 폴리에테르설폰 이온 도전성 폴리머를 기판 양자 교환막으로 사용하고, 동시에 또는 연속적으로 폴리머 기판의 양 측면상에 촉매 금속 및 도전성 탄소를 증착시키는 것을 포함한다.

개별 연료 전지는 공통 매니폴드를 형성하기 위해 연료, 공기 및 물 채널의 연속적 성층 및 적층을 허용하는 구조로 다수의 전지로서 적층될 수 있다. 공기 및 연료 각각의 도입을 위한 입구(154, 156) 및 연료 전지로부터의 연료 및 공기 각각의 배출을 위한 출구(158, 160)는 스택의 연료 스택 층을 통해, 이어서 스택의 조립체를 통해 삽입될 수 있다. 각 연료 전지 또는 연료 전지의 조합은 초음파 가열 또는 오버몰딩되어 전지의 단부를 밀봉하고 연료 스택에 구조적 완전성을 추가할 수 있다.

하기의 실시예는 연료 전지를 제조하기 위한 프로세스의 예이다. LCP의 기판은 도 7과 유사한 장치를 사용하여 5 내지 10 나노미터의 탄소 나노 입자로 증착된다. 증착 프로세스를 위해 전류가 0 내지 50amps로 제 1 아노드에 공급되고, 제 2 아노드에 구조체로의 전류는 50 내지 150amps이며, 제 3 아노드는 접지 전위에 있다. 캐소드로의 전류는 240amps이며, 진공 챔버의 가스 압력은 7.0x10^-4 Torr이다. Pd, Pt, Ru의 분산된 촉매 나노 입자는 그후 탄소를 위해 사용된 것과 유사한 프로세스 조건하에서 탄소상에 증착되며, 파라미터는 촉매 반응도를 증가시키도록 보다 작은 입자 크기를 위하여 조절된다. 이오노머릭 층 및 설폰화는 2 내지 10mT에서 5 내지 100 W의 펄스형 13.56MHZ RF 플라즈마 중합 전력으로 달성된다. Praxair로부터 상업적으로 입수가능한 플루오로카본 가스 및 VWR Scientific으로부터 입수가능한 황산 용액이 30sccm으로 설정된 질량 유동 콘트롤러를 통해 도입되어 수소 불소 치환 양자 교환막을 생성한다.

통합형 연료 전지의 다른 층을 형성하기 위해 본 발명을 사용하는 것은 연속적 프로세스를 사용하여 보다 큰 규모로 연료 전지가 제조될 수 있게 한다. 또한, 프로세스는 정확한 양의 금속 촉매, 도전성 재료 및 양자 교환 이오노머릭 재료를 사용한 정확한 층의 형성으로 인해, 보다 큰 접착, 보다 양호한 내부식성, 보다 많은 체적당 전력, 보다 적은 연료의 크로스오버 및 보다 큰 이온 교환 효율을 제공한다.

본 발명을 그 특정 실시예를 참조로 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련자들은 본 발명의 진정한 개념 및 범주로부터 벗어나지 않고, 다양한 변경 및 변형이 이루어지거나 등가체가 치환될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 모든 이런 변형은 첨부된 청구범위의 범주내에 포함되는 것으로 기도된다.

Claims (20)

1. 캐소드로부터 기판에 도달하는 증착 플라즈마 성분을 선택적으로 제어함으로써 기판내로 또는 기판상으로 하나 이상의 박막 재료를 적용하기 위한 플라즈마 증착 장치에 있어서,

   진공 챔버,

   타겟 재료로 구성되고, 상기 진공 챔버내에 배치되며, 성분 입자의 플라즈마를 생성하기 위해 전기 아크를 생성하도록 전력공급되는 캐소드,

   하전된 성분 입자의 흐름을 안내하기 위해 제 1 아노드와 상기 캐소드 사이에 전자기장을 생성하기 위해 상기 진공 챔버내에 배치된 하나 이상의 제 1 아노드,

   증착을 위해 상기 기판으로 상기 하전된 성분 입자를 안내하기 위해 전자기장을 생성하는, 상기 제 1 아노드에 인접 배치된 하나 이상의 제 2 아노드 구조체, 및

   상기 기판으로의 중성 성분 입자의 유동을 제어하기 위해 상기 제 2 아노드에 인접 배치된 하나 이상의 벽 및 스크린을 포함하는 플라즈마 증착 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판으로의 선택된 성분 입자의 조절가능한 제어를 허용하기 위해 상기 스크린에 인접하게 이동 게이트가 제공되는 플라즈마 증착 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 아노드에 인접하게 제 3 아노드가 배치되고,

   상기 제 3 아노드는 전자 흐름을 제어하도록 상기 제 1 및 제 2 아노드에 의해 생성된 전자기장과 협력하는 제 3 전자기장을 생성하는 플라즈마 증착 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 진공 챔버에 가스를 공급하기 위해 상기 진공 챔버내에 배치된 적어도 하나의 가스 매니폴드를 추가로 포함하는 플라즈마 증착 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 기판을 그 위에 장착하기 위해 상기 진공 챔버내에 배치된 하나 이상의 고정부를 추가로 포함하는 플라즈마 증착 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 고정부는 별개의 전원에 의해 인가된 가변 바이어스 전압에 의해 여기되는 플라즈마 증착 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 아노드 구조체는 복수의 제 2 아노드 콤포넌트를 포함하고,

   상기 제 2 아노드 콤포넌트 각각은 상기 제 1 아노드로부터 상기 진공 챔버 벽을 향해 외향으로 방사상으로 배치되는 플라즈마 증착 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 아노드 콤포넌트 각각에 인접하게 벽 및 스크린 콤포넌트가 배치되는 플라즈마 증착 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 스크린은 상기 기판으로의 상기 중성 입자 흐름을 제어하기 위해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 수 있는 힌지식 고상 게이트를 구비하는 플라즈마 증착 장치.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 캐소드에 인접한 위치로 캔틸레버식으로 형성된 스트라이커 로드와, 상기 스트라이커 로드에 가스를 공급하는 가스 매니폴드를 추가로 포함하고, 그에 의해, 상기 캐소드의 상기 아크를 점화하도록 상기 가스 매니폴드로부터의 가스 펄스가 상기 캐소드에 매우 근접한 위치로 상기 스트라이커 로드를 이동시키는 플라즈마 증착 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 아노드는 상기 캐소드를 둘러싸는 일련의 연결된 루프를 포함하는 플라즈마 증착 장치.
12. 캐소드로부터 기판에 도달하는 증착 플라즈마 입자를 선택적으로 제어함으로써 기판내로 또는 기판상으로 하나 이상의 재료를 적용하기 위한 플라즈마 증착 장치에 있어서,

    진공 챔버,

    타겟 재료로 구성되고, 상기 진공 챔버내에 배치되며, 성분 입자의 플라즈마를 생성하기 위해 전기 아크를 생성하도록 전력공급되는 캐소드,

    상기 하전된 성분 입자의 흐름을 안내하기 위해 제 1 아노드와 상기 캐소드 사이에 전자기장을 생성하기 위해 상기 진공 챔버내에 배치된 하나 이상의 제 1 아노드,

    증착을 위해 상기 기판으로 상기 하전된 성분 입자를 안내하기 위해 전자기장을 생성하는, 상기 제 1 아노드에 인접 배치된 하나 이상의 제 2 아노드 구조체,

    상기 기판으로의 중성 성분 입자의 유동을 제어하기 위해 상기 제 2 아노드에 인접 배치된 하나 이상의 벽 및 적어도 하나의 스크린, 및

    전자 성분 입자의 흐름을 제어하기 위해 전자기장을 생성하는, 상기 제 2 아노드 구조체의 일 단부에 인접 배치된 적어도 하나의 제 3 아노드 구조체를 포함하는 플라즈마 증착 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 2 아노드 구조체는 복수의 제 2 아노드 콤포넌트를 포함하고,

    상기 제 2 아노드 콤포넌트 각각은 상기 진공 챔버 벽을 향해 상기 제 1 아노드로부터 방사상으로 배치되는 플라즈마 증착 장치.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 스크린은 상기 기판으로의 중성 성분 입자의 흐름을 제어하기 위해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 수 있는 힌지식 고상 게이트를 구비하는 플라즈마 증착 장치.
15. 제 12 항에 있어서, 상기 캐소드에 인접한 위치로 캔틸레버식으로 형성된 스트라이커 로드와, 상기 스트라이커 로드에 가스를 공급하는 가스 매니폴드를 추가로 포함하고, 그에 의해, 상기 캐소드의 상기 아크를 점화하도록 상기 가스 매니폴드로부터의 가스 펄스가 상기 케소드에 매우 근접한 위치로 상기 스트라이커 로드를 이동시키는 플라즈마 증착 장치.
16. 기판의 표면내로 또는 기판의 표면상으로 타겟 재료의 캐소드로부터 증발된 선택된 타겟 재료의 입자를 적용하기 위한 플라즈마 증착 방법에 있어서,

    진공 챔버내에 이격 배치 관계로 상기 캐소드와 상기 기판을 장착하는 단계,

    상기 캐소드를 둘러싸는 적어도 하나의 제 1 아노드 구조체, 상기 제 1 아노드 구조체에 인접 배치된 적어도 하나의 제 2 아노드 구조체, 및 상기 제 2 아노드에 인접 배치된 조절가능한 개구를 가지는 스크린을 포함하는 벽 콤포넌트를 상기 진공 챔버내에 제공하는 단계,

    하전된 입자를 포함하는, 성분 타겟 입자의 플라즈마를 생성하기 위해 전기 아크를 생성하도록 상기 캐소드에 전력공급하는 단계,

    상기 하전된 입자의 흐름을 안내하기 위해 상기 캐소드와 상기 제 1 아노드 사이에 전자기장을 생성하는 단계,

    상기 기판으로 상기 하전된 입자를 지향시키기 위해 상기 제 2 아노드 구조체 둘레에 전자기장을 생성하는 단계, 및

    상기 기판으로의 중성 입자의 흐름을 제어하도록 상기 스크린의 상기 개구를 조절하는 단계를 포함하는 플라즈마 증착 방법.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 기판은 가변 바이어스 전압에 의해 여기되는 고정부상에 장착되고,

    상기 고정부는 그 중앙축 둘레에서 회전하는 플라즈마 증착 방법.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 캐소드와 상기 제 1 아노드 사이의 상기 전자기장은 상기 제 1 아노드에 0 내지 약 300amps로 0 내지 약 100V의 범위의 전류를 공급함으로써 생성되는 플라즈마 증착 방법.
19. 제 16 항에 있어서, 상기 진공 챔버는 제 3 아노드 구조체를 구비하고, 상기 플라즈마 재료로부터 전자를 포획하기 위해, 상기 제 3 아노드 둘레에 전자기장이 생성되는 플라즈마 증착 방법.
20. 연료 전지 제조 방법에 있어서,

    a) 흑연 재료의 캐소드를 성분 입자의 플라즈마로 증발시키고, 적어도 제 1 아노드와 제 2 아노드에 의해 생성된 전자기장을 사용하여 기판으로 상기 입자를 안내함으로써 상기 기판상에 탄소층을 증착하는 단계,

    b) 금속 재료의 캐소드를 성분 입자의 플라즈마로 증발시키고, 적어도 제 1 및 제 2 아노드에 의해 생성된 상기 전자기장을 사용하여 상기 성분 입자를 상기 기판으로 안내함으로써 상기 탄소층상에 마이크로 입자 금속 촉매층을 증착하는 단계,

    c) 상기 진공 챔버내로 반응 가스를 도입하고, 상기 금속 촉매층상에 고상 폴리머 막 층을 형성하는 단계, 및

    d) 상기 연료 전지를 형성하기 위해 상기 a) 내지 c) 단계를 반복하는 단계를 상기 진공 챔버내의 선택된 기판상에 수행하는 것을 포함하는 연료 전지 제조 방법.