KR20230119471A - Deposition apparatus using plasma - Google Patents

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배기화
주진훈
이명지
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Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 증착장치로서, 전극(11), N2, Ar,H2 가스 공급구(12), 가스 디스트리뷰트(분산필터)(13), 활성영역(15), 노즐(14), 백금계 금속 함유 화합물 용액의 공급구(31), 전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액의 공급구(32), N2와 H2의 캐리어 가스 공급구(41). 백금계 금속 함유 화합물 용액과, 전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액, 캐리어 가스가 혼합되는 혼합챔버(21), 혼합용액 및 캐리어 가스 공급구(51)로 이루어진 증착장치이다.The present invention is a deposition apparatus using plasma, which includes an electrode 11, N 2 , Ar, H 2 gas supply port 12, gas distribution (dispersion filter) 13, active region 15, nozzle 14 , a platinum-based metal-containing compound solution supply port 31, a conductive material-dispersed solution or an insulating material-dispersed solution supply port 32, N 2 and H 2 carrier gas supply port 41. It is a deposition apparatus composed of a platinum-based metal-containing compound solution, a solution in which a conductive material is dispersed or a solution in which an insulating material is dispersed, a mixing chamber 21 in which a carrier gas is mixed, and a mixed solution and a carrier gas supply port 51.

Description

플라즈마를 이용한 증착장치 {DEPOSITION APPARATUS USING PLASMA}Deposition apparatus using plasma {DEPOSITION APPARATUS USING PLASMA}

본 발명은 플라즈마를 이용한 증착장치이고, 구체적으로 백금계 금속 및 전도체 또는 백금계 금속 및 절연체를 동시에 증착시킬 수 있는 증착장치에 관한 것이다.The present invention relates to a deposition apparatus using plasma, and specifically, to a deposition apparatus capable of simultaneously depositing a platinum-based metal and a conductor or a platinum-based metal and an insulator.

현재 석유, 석탄, 천연기체 등과 같은 화석연료는 현재 사용되는 에너지 수요의 약 80% 이상을 담당하고 있다. 그러나 현재의 추세로 소모될 경우 50년 이내에 매장량이 고갈될 것이다. 그뿐 아니라 화석연료는 연소시 발생하는 각종 공해물질로 인해 지구온난화, 오존층 파괴, 더스트 돔(dust dome), 산성비 등 환경문제를 야기시켜 인류의 생존에 위협을 주고 있다. 이와 같은 위기를 슬기롭게 극복해 나가기 위해서는 고갈되지 않으며, 깨끗하고 안전한 대체에너지의 개발이 매우 필요하다. 이러한 맥락에서 차세대의 이상적인 대체에너지로서 가장 주목을 받고 있는 것이 바로 수소에너지이다.Fossil fuels, such as petroleum, coal, and natural gas, account for more than 80% of current energy demand. However, at current rates of depletion, reserves will be depleted within 50 years. In addition, fossil fuels pose a threat to human survival by causing environmental problems such as global warming, ozone layer destruction, dust dome, and acid rain due to various pollutants generated during combustion. In order to wisely overcome such a crisis, it is very necessary to develop clean and safe alternative energy that is not depleted. In this context, hydrogen energy is attracting the most attention as an ideal alternative energy for the next generation.

수소는 물을 분해하면 제조할 수 있고, 화학공정에서 부산물로 포집되기도 한다. 수소를 산소와 반응시키면 에너지를 얻은 후 물로 재순환하므로 환경친화적이다. 또한, 수소에너지는 열 및 전기에너지와 같은 다른 에너지 형태로 쉽게 변환되므로 2차 전지, 히트펌프 등으로 응용이 가능하고, 수소를 연료로 사용할 경우 단위 무게당 열량이 가솔린이나 천연기체보다 3배 이상 높으며, 연소속도는 10배 이상 크다. 나아가, 물은 무한한 자원이므로, 물로부터 얻어지는 수소에너지 기술의 획득은 곧 에너지자원의 확보라는 특성을 갖는다. Hydrogen can be produced by decomposing water, and is also captured as a by-product in chemical processes. When hydrogen reacts with oxygen, energy is obtained and then recycled into water, which is environmentally friendly. In addition, since hydrogen energy is easily converted into other forms of energy such as heat and electricity, it can be applied to secondary batteries and heat pumps. When hydrogen is used as a fuel, its heat per unit weight is more than three times that of gasoline or natural gas. high, and the burning rate is more than 10 times greater. Furthermore, since water is an infinite resource, the acquisition of hydrogen energy technology obtained from water has the characteristic of securing energy resources.

현재 수소에너지 관련 기술로는 대표적으로 물분해 전해조 및 연료전지가 있다.Current hydrogen energy-related technologies include water splitting electrolyzers and fuel cells.

물분해 전해조란, 전기에너지를 화학에너지로 변환시키는 전기화학 전지를 의미하며, 주로 물을 전기분해하여 수소를 발생시키는 전기화학 전지를 나타낸다. 순수한 물은 전기분해되기 어려우므로 일반적으로 물에 SO2 기체를 첨가하여 분해시켜 생성물로 수소 기체와 황산(H2SO4)을 얻는다. 상기 수전해 방법으로는 알칼리 수전해, 고분자 전해질막 수전해, 고온 수증기 수전해 등이 있다.A water decomposition electrolytic cell means an electrochemical cell that converts electrical energy into chemical energy, and represents an electrochemical cell that mainly generates hydrogen by electrolyzing water. Since pure water is difficult to electrolyze, it is generally decomposed by adding SO 2 gas to water to obtain hydrogen gas and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) as products. Examples of the water electrolysis method include alkaline water electrolysis, polymer electrolyte membrane water electrolysis, and high-temperature steam water electrolysis.

한편, 연료전지(fuel cell)란, 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 전기화학 전지를 의미하며, 산화환원을 이용한다는 점은 보통의 화학전지와 같지만 닫힌계 내에서 전지반응을 하는 화학전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고, 반응생성물이 연속적으로 계 외부로 배출된다. 상기 연료전지는 작동되는 온도와 전해질에 따라 구분되며, 이들은 고온(약 500 ~ 700 ℃)에서 운전되는 용융탄산염 전해질 연료전지(MCFC), 200 ℃ 근방에서 운전되는 인산 전해질 연료전지(PAFC), 상온 내지 약 100 ℃ 이하에서 운전되는 알칼리 연료전지(AFC), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)가 대표적이다.On the other hand, a fuel cell means an electrochemical cell that converts chemical energy generated by oxidation of fuel into electrical energy. Unlike a chemical cell in which reactants are continuously supplied from the outside, and reaction products are continuously discharged to the outside of the system. The fuel cell is classified according to the operating temperature and electrolyte, and these are a molten carbonate electrolyte fuel cell (MCFC) operated at high temperature (about 500 ~ 700 ℃), a phosphoric acid electrolyte fuel cell (PAFC) operated near 200 ℃, room temperature Alkaline fuel cells (AFCs), polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs), or direct methanol fuel cells (DMFCs) operating at temperatures of up to about 100° C. are typical.

이러한 전기화학 전지 중에서 특히 고분자막을 사용하는 전기화학 전지는 두께가 얇고(주로 1 ㎜이하) 가벼우면서도 전기생성능력이 우수하여 여러 분야에 응용할 수 있다는 장점이 있으나 고가의 백금계열 촉매를 사용해야 한다는 단점이 있기 때문에, 백금촉매의 효용성이 증대되고 경제적인 공정으로 만들어지는 촉매층의 제조는 큰 과제가 되어왔다. 또한, 경제적인 전극 촉매 제조방법의 개발 이외에도 상기 물/SO2 혼합물을 반응기체로 사용하는 물분해 전해조 또는 직접 메탄올 연료전지의 경우, SO2 분자 또는 연료인 메탄올이 산화전극으로부터 고분자 전해질을 통하여 환원전극으로 투과(crossover)됨에 따라 전기화학 전지의 성능이 저하되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 팔라듐(Pd)막을 고체고분자 전해질 표면에 증착하는 방법이 있으나, 이 물질의 경제적인 증착 역시 중요한 문제로 남아있다.Among these electrochemical cells, in particular, electrochemical cells using polymer membranes are thin (mainly 1 mm or less) and light, and have excellent electricity generating ability, so they can be applied to various fields, but have the disadvantage of using expensive platinum-based catalysts Therefore, the effectiveness of the platinum catalyst is increased and the manufacture of a catalyst layer made through an economical process has been a major challenge. In addition to the development of an economical electrode catalyst manufacturing method, in the case of a water decomposition electrolytic cell or a direct methanol fuel cell using the water/SO 2 mixture as a reaction gas, SO 2 molecules or methanol as a fuel are reduced from the oxidizing electrode through the polymer electrolyte There is a problem in that the performance of the electrochemical cell deteriorates as it is passed through the electrode. As a way to solve this problem, there is a method of depositing a palladium (Pd) film on the surface of a solid polymer electrolyte, but economical deposition of this material also remains an important problem.

상기 고체고분자막을 전해질로 사용하는 전기화학 전지의 전극은 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 로듐(Rh) 등의 백금족 원소, 금(Au), 은(Ag), 철(Fe), 니켈(Ni), 몰리브데늄(Mo) 또는 그들 간의 합금으로 구성된다. 이러한 물질들은 비싼 귀금속 물질로서, 전극 촉매로 사용시 경제성 때문에 되도록 작은 양으로 최대의 에너지 변환이 이루어지도록 설계되어야 한다. 여기서 물질량 당 전류 값을 높이기 위해서는 전극 표면적을 최대화시켜야 하고, 이를 위해서는 상기 귀금속 물질을 가능하면 작은 입자로 만들어야 하며, 전극촉매의 활용성이 높도록 전극지지체 또는 전해질에 증착해야 한다. The electrode of the electrochemical cell using the solid polymer film as an electrolyte is a platinum group element such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), rhodium (Rh), gold ( It is composed of Au), silver (Ag), iron (Fe), nickel (Ni), molybdenum (Mo) or an alloy between them. These materials are expensive precious metal materials, and should be designed to achieve maximum energy conversion in a small amount because of economic feasibility when used as an electrode catalyst. Here, in order to increase the current value per material amount, the surface area of the electrode must be maximized. To this end, the noble metal material must be made into small particles if possible and deposited on an electrode support or an electrolyte to increase the usability of the electrode catalyst.

이러한 백금계열 촉매 층의 증착법에는 크게 두 가지 방법이 주로 사용되고 있다. 첫 번째는 백금촉매의 활용성을 높이기 위하여 나노 크기의 입자분말 혹은 나노 크기의 백금입자가 분산 흡착된 탄소 입자를 수소 이온 전도성 고분자 물질이 포함된(예를 들면, 듀폰의 나피온 이오노머) 용액과 혼합하여 촉매 잉크를 제조하고 이를 전극지지체 혹은 전해질에 증착하는 방법이다. 이러한 촉매 증착법의 경우, 미리 제조된 촉매 분말을 사용하기 때문에 고가의 상용 백금계열 촉매를 사용한다는 단점을 가지고 있다. 구체적으로, 백금계열의 입자분말을 얻기 위해 이들 원소를 함유하는 화합물을 선구물질로 사용한다. 예를 들면, 백금의 경우 하이드로젠 헥사클로로 플래티네이트(Ⅳ) 하이드레이트(H2PtCl6) 또는 플래티늄(Ⅱ) 클로라이드(PtCl2)와 같은 염화합물을 선구물질로서 용매에 녹여 용액을 제조한다. 이때, 용매로는 물, 알코올, 산, 염기, 또는 유기용매가 사용된다. 위와 같이 제조된 용액에 수소화 붕소리튬(LiBH4), 수소화 붕소나트륨(NaBH4) 등의 환원제를 첨가하여 선구 물질을 환원시켜 그에 함유된 백금계 금속을 입자 상태로 만든다. 특히, 환원반응에 의해 금속입자가 용액에서 만들어질 때 그들을 나노 크기로 작게 만들기 위하여는 성장되는 입자 표면에 흡착되어 그들이 일정크기 이상 커지는 것을 억제하여주는 안정제를 첨가해준다. 상기 안정제로는 폴리비닐 파이롤리돈(Polyvinyl-Pyrrolidone; PVP) 등이 사용된다. 상기와 같이 여러 화학물질이 들어있는 용액을 보통 10~24시간 동안 가열, 교반하여 안정제가 표면에 흡착되어 있는 나노 금속입자를 얻는다. 이때, 탄소분말을 용액 속에 함께 넣어주면 생성되는 금속입자가 탄소입자(지지체) 표면에 분산 흡착된다. 상기 제조된 금속입자들을 용액으로부터 분리한 후 가열 등의 방법으로 안정제를 금속 표면으로부터 제거시켜 전극촉매로 사용할 수 있는 최종 형태의 물질을 얻는다. Two methods are mainly used for depositing the platinum-based catalyst layer. First, in order to increase the utilization of the platinum catalyst, nano-sized particle powder or carbon particles in which nano-sized platinum particles are dispersed and adsorbed are mixed with a solution containing a hydrogen ion conductive polymer material (eg, Nafion ionomer of DuPont). This is a method of preparing a catalyst ink by mixing and depositing it on an electrode support or an electrolyte. In the case of such a catalyst deposition method, there is a disadvantage in that an expensive commercial platinum-based catalyst is used because pre-prepared catalyst powder is used. Specifically, compounds containing these elements are used as precursors to obtain platinum-based particle powder. For example, in the case of platinum, a solution is prepared by dissolving a salt compound such as hydrogen hexachloro platinum (IV) hydrate (H 2 PtCl 6 ) or platinum (II) chloride (PtCl 2 ) in a solvent as a precursor. At this time, water, alcohol, acid, base, or organic solvent is used as the solvent. A reducing agent such as lithium borohydride (LiBH4) or sodium borohydride (NaBH4) is added to the solution prepared as described above to reduce the precursor to make the platinum-based metal contained therein into particles. In particular, when metal particles are formed in a solution by a reduction reaction, in order to make them small in nano size, a stabilizer is added to the surface of the growing particles to prevent them from increasing to a certain size or more. As the stabilizer, polyvinyl-pyrrolidone (PVP) or the like is used. As described above, a solution containing various chemicals is usually heated and stirred for 10 to 24 hours to obtain nano metal particles having a stabilizer adsorbed on the surface. At this time, when the carbon powder is put into the solution, the generated metal particles are dispersed and adsorbed on the surface of the carbon particles (support). After the prepared metal particles are separated from the solution, the stabilizer is removed from the metal surface by a method such as heating to obtain a material in a final form that can be used as an electrocatalyst.

이상 설명한 바와 같이, 상기 미리 제조된 촉매분말을 이용한 촉매층의 증착방법은 촉매를 제조하기 위하여 상당히 복잡한 공정과 시간이 투자되므로, 촉매입자의 가격이 상승하는 단점을 갖는다.As described above, the method of depositing a catalyst layer using the previously prepared catalyst powder has a disadvantage in that the price of catalyst particles increases because a very complicated process and time are invested in preparing the catalyst.

종래의 촉매층의 증착 방법에서 미리 제조된 촉매를 이용하는 방법은 촉매를 제조하는데 10 ~ 24시간으로 상당히 긴 시간이 걸리며, 환원제 및 안정제 등의 첨가로 인하여 화학적인 처리과정이 복잡하다는 문제가 있다. 또한, 진공 기상 증착법 등을 이용한 촉매층의 증착 방법에서는 연속공정이 어렵고 증착시간이 오래 걸리며 고가의 진공설비에 따른 상용화에 어려움이 있다. In the conventional catalyst layer deposition method, the method using a pre-prepared catalyst takes a considerably long time to prepare the catalyst, 10 to 24 hours, and has a problem that the chemical treatment process is complicated due to the addition of a reducing agent and a stabilizer. In addition, in the method of depositing a catalyst layer using a vacuum vapor deposition method, a continuous process is difficult, takes a long deposition time, and commercialization is difficult due to expensive vacuum equipment.

특허문헌 1에는 "플라즈마 방전을 이용한 전극촉매용 백금계 금속 박막 제조장치"가 개시되어 있으며, 상기 발명은 수소 기체와 비활성 기체의 혼합기체를 주입하는 혼합기체 주입부; 전극표면을 감싸는 절연체를 구비하고 상기 절연체 위에 백금계 금속 함유 화합물 박막이 도포된 기판을 구비하는 제1전극과, 전극표면을 감싸는 절연체를 구비하며 상기 혼합기체가 통과할 수 있도록 상기 제1전극 표면상의 기판에 도포된 백금계 금속 함유 화합물 박막과 일정 간격(d)으로 이격되어 있는 제2전극으로 이루어지는 한 쌍의 전극부를 구비하는 플라즈마 반응기; 및 상기 반응기 내부에 위치하는 상기 전극부의 제1전극 및 제2전극과 연결되어 플라즈마 방전을 일으키도록 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하여 구성되는 플라즈마 방전을 이용한 전극촉매용 백금계 금속 박막 제조장치이다.Patent Document 1 discloses a "platinum-based metal thin film manufacturing apparatus for an electrode catalyst using plasma discharge", and the present invention includes a mixed gas injection unit for injecting a mixed gas of hydrogen gas and an inert gas; A first electrode having an insulator surrounding the surface of the electrode and having a substrate coated with a platinum-based metal-containing compound thin film on the insulator; A plasma reactor having a pair of electrode parts including a platinum-based metal-containing compound thin film applied on a substrate and a second electrode spaced apart at a predetermined interval (d); and a power supply unit connected to the first electrode and the second electrode of the electrode unit located inside the reactor to supply power to generate a plasma discharge. .

특허문헌 1의 제조장치는 플라즈마 반응기를 진공으로 유지하여야 하고, 먼저 기판 표면에 백금계 금속 함유 화합물 용액을 고분자 전해질막 또는 전극지지층 기판 표면에 도포하고 건조시켜 백금계 금속 함유 화합물로 이루어진 박막을 제조한 후, 플라즈마 장치에 넣고 환원가스를 공급하면서 플라즈마를 발생시켜 백금계 금속 박막을 제조하여야 하고, 증착 막박의 두께를 증가시키기 위해서는 동일한 과정을 반복하여야 하므로, 연속공정이 어렵고 증착시간이 오래 걸리며 고가의 진공설비가 필요한 단점이 있었다.The manufacturing apparatus of Patent Document 1 needs to maintain a plasma reactor in a vacuum, and first, a platinum-based metal-containing compound solution is applied to a polymer electrolyte membrane or an electrode support layer substrate surface and dried to prepare a thin film made of a platinum-based metal-containing compound. After that, it is put in a plasma device and plasma is generated while supplying reducing gas to produce a platinum-based metal thin film. In order to increase the thickness of the deposited film, the same process must be repeated. There was a disadvantage that a vacuum facility was required.

대한민국 등록특허 제10-0792152호Republic of Korea Patent No. 10-0792152

종래기술인 플라즈마 방전을 이용한 백금계 금속 박막의 증착장치는, 연속공정이 어렵고 증착시간이 오래 걸리며 고가의 진공설비가 필요한 단점이 있었으나, 본 발명은 종래기술의 단점을 해결하는 백금계 금속 및 전도체 또는 백금계 금속 및 절연체를 동시에 연속적으로 증착시키는 증착장치를 제공하는 것이다. The conventional deposition apparatus for a platinum-based metal thin film using plasma discharge has disadvantages such as difficult continuous process, long deposition time, and expensive vacuum equipment. It is to provide a deposition apparatus for simultaneously and continuously depositing a platinum-based metal and an insulator.

본 발명은 플라즈마를 이용한 증착장치로서, 전극(11), N2, Ar,H2 가스 공급구(12), 가스 디스트리뷰트(분산필터)(13), 활성영역(15)에서 활성화된 백금계 금속 함유 화합물과 전도물질 및 N2와 H2의 캐리어 가스를 기판으로 분사시키거나 또는 백금계 금속 함유 화합물과 절연물질 및 N2와 H2의 캐리어 가스를 기판으로 분사시키는 노즐(14), 백금계 금속 함유 화합물 용액의 공급구(31), 전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액의 공급구(32), N2와 H2의 캐리어 가스 공급구(41). 백금계 금속 함유 화합물 용액과, 전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액, 캐리어 가스가 혼합되는 혼합챔버(21), 혼합챔버에서 혼합된 백금계 금속 함유 화합물 용액과, 전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액, 캐리어 가스를 활성영역으로 공급시키는 혼합용액 및 캐리어 가스 공급구(51)로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention is a deposition apparatus using plasma, wherein an electrode 11, N 2 , Ar, H 2 gas supply port 12, a gas distribution (dispersion filter) 13, and a platinum system activated in an active region 15 A nozzle 14 for injecting a metal-containing compound, a conductive material, and a carrier gas of N 2 and H 2 onto a substrate or a platinum-based metal-containing compound, an insulating material, and a carrier gas of N 2 and H 2 onto the substrate, platinum A supply port 31 of a solution containing a metal-based compound, a supply port 32 of a solution in which a conductive material is dispersed or a solution in which an insulating material is dispersed, and a carrier gas supply port 41 of N 2 and H 2 . A mixing chamber 21 in which a solution of a platinum-based metal-containing compound, a solution in which a conductive material is dispersed or a solution in which an insulating material is dispersed, and a carrier gas are mixed, a platinum-based metal-containing compound solution mixed in the mixing chamber, and a conductive material are dispersed It is characterized in that it consists of a solution or a solution in which an insulating material is dispersed, a mixed solution for supplying a carrier gas to the active region, and a carrier gas supply port 51.

상기 백금계 금속 함유 화합물은 백금계열의 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 이리듐(Ir)과 금(Au), 은(Ag), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 몰리브데늄(Mo)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 합금 성분이고, 용액은 물인 것을 특징으로 한다.The platinum-based metal-containing compound includes platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), osmium (Os), rhodium (Rh), iridium (Ir), gold (Au), silver (Ag), It is any one or an alloy component thereof selected from the group consisting of iron (Fe), nickel (Ni), and molybdenum (Mo), and the solution is characterized in that water.

상기 백금계 금속 함유 화합물은 염소(Cl)와 결합된 백금계 금속 화합물이다.The platinum-based metal-containing compound is a platinum-based metal compound combined with chlorine (Cl).

상기 전도물질는 탄소(C), 탄소나노튜브(CNT) 중 하나 이상이고, 산성 분산제를 이용해 물에 용해되는 것을 특징으로 한다.The conductive material is at least one of carbon (C) and carbon nanotube (CNT), and is characterized in that it is dissolved in water using an acidic dispersant.

상기 절연물질는 이산화 규소(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 이산화 지르코늄(ZrO2), 이산화 하프늄(HfO2) 중 하나의 단일 금속 산화물 혹은 이의 복합산화물고, 산성 분산제를 이용해 물에 용해되는 것을 특징으로 한다. The insulating material is a single metal oxide or a composite oxide of one of silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium dioxide (ZrO 2 ), and hafnium dioxide (HfO 2 ), and is dissolved in water using an acidic dispersant. characterized by

상기 플라즈마 장치에 공급되는 N2, Ar,H2 가스의 공급압역은 5 ~ 10Bar이다.A supply pressure range of the N 2 , Ar, H 2 gas supplied to the plasma device is 5 to 10 Bar.

상기 가스 디스트리뷰트(분산필터)는 플라즈마를 활성영역 전체로 분산시킨다.The gas distributor (dispersion filter) disperses the plasma throughout the active region.

상기 백금계 금속 함유 화합물 용액과 전도물질이 분산된 용액, 또는 백금계 금속 함유 화합물 용액 및 절연물질이 분산된 용액을 N2와 H2의 캐리어 가스와 혼합챔버에서 혼합시켜 활성영역으로 공급한다.A solution in which the platinum-based metal-containing compound solution and the conductive material are dispersed or a solution in which the platinum-based metal-containing compound solution and the insulating material are dispersed are mixed with a carrier gas of N 2 and H 2 in a mixing chamber and then supplied to the active region.

상기 캐리어 가스인 N2 : H2의 비는 80 ~ 95 : 5 ~ 20이고, 공급압력을 2 ~ 4Bar이다.The ratio of the carrier gas N 2 : H 2 is 80 to 95: 5 to 20, and the supply pressure is 2 to 4 Bar.

상기 캐리어 가스의 공급압력은 상기 N2, Ar,H2 가스의 압력 보다 낮다.The supply pressure of the carrier gas is lower than that of the N 2 , Ar, and H 2 gases.

상기 활성영역에 공급된 백금계 금속 함유 화합물 용액과 전도물질이 분산된 용액, 또는 백금계 금속 함유 화합물 용액 및 절연물질이 분산된 용액, 캐리어 가스 중 H2는 플라즈마에 의해 활성되어 반응식1 내지 반응식 4과 같은 반응된다.H 2 in a solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and a conductive material are dispersed, or in a solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and an insulating material are dispersed, and a carrier gas supplied to the active region is activated by plasma to obtain reaction formula 1 to reaction formula The reaction is the same as in 4.

H2MCl6 → M + 2HCl + 2Cl2 (반응식 1)H 2 MCl 6 → M + 2HCl + 2Cl 2 (Scheme 1)

H2MCl6 + xH2 → M + 6HCl + (x-3)H2 (반응식 2)H 2 MCl 6 + xH 2 → M + 6HCl + (x-3)H 2 (Scheme 2)

MCl6 + yH2 → M + 2HCl + 2Cl2 + (y-1)H2 (반응식 3)MCl 6 + yH 2 → M + 2HCl + 2Cl 2 + (y-1)H 2 (Scheme 3)

MCl6 + xH2 → M + 6HCl + (x-3)H2 (반응식 4)MCl 6 + xH 2 → M + 6HCl + (x-3)H 2 (Scheme 4)

상기 플라즈마 장치에 공급되는 전원은 직류, 교류 또는 마이크로 웨이브 전원 중 하나이다.Power supplied to the plasma device is one of direct current, alternating current, and microwave power.

상기 교류 전원의 주파수는 50Hz ~ 500MHz이고, 상기 마이크로 웨이브 전원의 주파수는 1 ~ 10GHz이다.The frequency of the AC power supply is 50 Hz to 500 MHz, and the frequency of the microwave power supply is 1 to 10 GHz.

상기 교류 전원의 전압은 0.1 ~ 50kV이고, 전류는 0.01 ~ 900mA이며, 상기 전압 및 전류에 의해 공급되는 전력은 처리면적 1㎠ 당 1 ~ 500W이다.The voltage of the AC power supply is 0.1 to 50 kV, the current is 0.01 to 900 mA, and the power supplied by the voltage and current is 1 to 500 W per 1 cm2 of treatment area.

백금계 금속이 증착된 박막은 물분해 전해조, 고분자 전해질 연료전지의 전극, 전극촉매층이 코팅된 고분자 전해질 막, 수소를 생산하기 위한 물/SO2 혼합물의 전기분해조, 메탄올 연료전지를 구성하는 고분자 전해질 표면에서 SO2 또는 연료의 투과 억제층으로 사용되는 것을 특징으로 한다.The thin film deposited with platinum-based metal is used in water decomposition electrolyzers, polymer electrolyte fuel cell electrodes, polymer electrolyte membranes coated with electrode catalyst layers, water/SO 2 mixture electrolysis cells to produce hydrogen, and polymers constituting methanol fuel cells. It is characterized in that it is used as a permeation inhibition layer of SO 2 or fuel on the surface of the electrolyte.

본 발명의 플라즈마를 이용한 증착장치는, 백금계 금속 및 전도체, 또는 백금계 금속 및 절연체를 동시에 연속적으로 증착시키되, 짧은 시간으로 증착이 가능하고, 고가의 진공설비가 필요하지 않은 효과가 있다.The deposition apparatus using the plasma of the present invention simultaneously and continuously deposits a platinum-based metal and a conductor, or a platinum-based metal and an insulator, but it is possible to deposit in a short time and does not require expensive vacuum equipment.

도 1은 본 발명의 플라즈마를 이용한 증착장치를 이용한 증착공정상태의 사시도이고,
도 2는 본 발명의 플라즈마를 이용한 증착장치이고,
도 3은 본 발명의 증착방법을 이용해 촉매인 백금(Pt)과 전도물질인 탄소(C)가 기판에 증착된 사진이다.
1 is a perspective view of a deposition process state using a deposition apparatus using a plasma of the present invention;
2 is a deposition apparatus using the plasma of the present invention,
3 is a photograph in which platinum (Pt) as a catalyst and carbon (C) as a conductive material are deposited on a substrate using the deposition method of the present invention.

이하 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 증착장치를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 참고로, 본 발명을 설명하는데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다.Hereinafter, a deposition apparatus using plasma according to the present invention will be described in detail based on the accompanying drawings. For reference, the size of components, the thickness of lines, etc. shown in the drawings referred to in describing the present invention may be somewhat exaggerated for convenience of understanding.

또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하다.In addition, the terms used in the description of the present invention are defined in consideration of the functions in the present invention, and may vary depending on the user, operator's intention, convention, and the like. Therefore, the definition of this term deserves to be made based on the contents throughout this specification.

그리고 본 출원에서, '포함하다', '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특정의 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.And in this application, terms such as 'include' and 'have' refer to the existence of a specific number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other It should be understood that the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

또한, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.In addition, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only this embodiment makes the disclosure of the present invention complete, and the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided for complete information.

그러므로, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 구현 예(態樣, aspect)(또는 실시 예)들을 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 본 명세서에서 사용한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Therefore, since the present invention can have various changes and various forms, implementation examples (態樣, aspects) (or embodiments) will be described in detail in the specification. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the technical spirit of the present invention, and the singular expression used in this specification is clearly different from the context. Include plural expressions unless otherwise indicated.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 주지 또는 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.However, in describing the present invention, detailed descriptions of known or known functions or configurations will be omitted to clarify the gist of the present invention.

이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.Hereinafter, "upward", "downward", "front" and "rearward" and other directional terms are defined based on the state shown in the drawings.

물질의 상태는 고체, 액체, 기체로 나눌 수 있는데 기체 상태의 물질에 에너지를 가해 주면 원자나 분자에서 전자가 분리되어 전자와 이온들이 존재하는 플라즈마 상태가 된다. 거시적인 관점에서 볼 때 플라즈마는 전기적으로 중성이며, 플라즈마는 자유 대전 정공을 포함하며 전기 전도성이 있다. 플라즈마는 화학적으로 반응성이 큰 매개체이다.The state of matter can be divided into solid, liquid, and gas. When energy is applied to a substance in a gaseous state, electrons are separated from atoms or molecules, resulting in a plasma state in which electrons and ions exist. From a macroscopic point of view, the plasma is electrically neutral, contains free charged holes and is electrically conductive. Plasma is a chemically reactive medium.

본 발명의 상압 플라즈마는 전기에너지에 의해서 발생된다. 전기장이 기체의 전자에 의해서 발생된다. 전기장이 기체의 전자에 에너지를 전달하여 대전된 화학종이 되고, 충돌에 의해 중성 화학종에 에너지가 전달된다.Normal pressure plasma of the present invention is generated by electric energy. The electric field is generated by electrons in the gas. An electric field transfers energy to electrons in a gas to become charged species, and energy is transferred to neutral species by collision.

간단한 플라즈마 발생장치를 이용하여 플라즈마가 발생하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 먼저 평면으로 된 두 개의 도체를 일정한 거리 d 만큼 떨어트려 놓은 뒤 도체에 직류 전압 V 를 가해준다. 이렇게 되면 두 개의 도체 사이에는 일정한 전기장이 생성되게 되는데 이때 생성되는 전기장 E 는 전압에 비례하고 거리에는 반비례하는 E=V/d 인 조건으로 생성된다. 이때 전압의 세기가 어느 정도 이상이 되면 음극이 연결된 도체 판에 작은 수의 전자가 생성되기 시작하고 이 전자들이 전극을 따라 양극으로 움직이게 되면서 두 도체 사이에 존재하는 가스들과 충돌을 일으키게 되며 결과적으로 가스들은 이온화시키게 되면서 방전이 일어나게 된다. 이러한 과정을 전자 사태에 의한 방전 개시라고 부른다. 이때 이온들은 전기장을 따라 음극으로 움직이게 되고 음극에 연결된 도체 판에 세게 부딪치면서 음극에서 전자들이 튀어나오게 하면서 플라즈마 발생을 가속화시키는데 이러한 과정을 2차 발산이라 부른다.A process of generating plasma using a simple plasma generating device will be described below. First, two flat conductors are separated by a certain distance d, and then a DC voltage V is applied to the conductors. In this case, a constant electric field is generated between the two conductors. At this time, the generated electric field E is generated under the condition that E=V/d, which is proportional to the voltage and inversely proportional to the distance. At this time, when the strength of the voltage exceeds a certain level, a small number of electrons start to be generated on the conductor plate to which the cathode is connected, and as these electrons move to the anode along the electrode, they collide with the gases existing between the two conductors, resulting in As the gases ionize, a discharge occurs. This process is called discharge initiation by avalanche. At this time, the ions move to the cathode along the electric field and hit the conductor plate connected to the cathode strongly, causing electrons to jump out of the cathode and accelerate the generation of plasma. This process is called secondary emission.

도 1은 본 발명의 플라즈마를 이용한 증착장치를 이용한 증착공정상태의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 플라즈마를 이용한 증착장치이고, 도 3은 본 발명의 증착방법을 이용해 촉매인 백금(Pt)과 전도물질인 탄소(C)가 기판에 증착된 사진이다.1 is a perspective view of a deposition process state using a deposition apparatus using a plasma of the present invention, Figure 2 is a deposition apparatus using a plasma of the present invention, and Figure 3 is a platinum (Pt) catalyst using the deposition method of the present invention This is a picture of carbon (C), a conductive material, deposited on a substrate.

이하에서는 도 1 및 도 2에 제시된 증착장치를 기준으로 설명한다.Hereinafter, the deposition apparatus shown in FIGS. 1 and 2 will be described.

도 2에 제시된 플라즈마를 이용한 증착장치는 아래와 같이 구성된다.The deposition apparatus using the plasma shown in FIG. 2 is configured as follows.

도 2를 참조하면, 플라즈마 장치(10)는 전극(11), N2, Ar,H2 가스 공급구(12), 가스 디스트리뷰트(분산필터)(13), 활성화된 백금계 금속 함유 화합물과 전도물질 및 N2와 H2의 캐리어 가스를 기판으로 분사시키거나 또는 백금계 금속 함유 화합물과 절연물질 및 N2와 H2의 캐리어 가스를 기판으로 분사시키는 노즐(14)로 구성되어 있고, 백금계 금속 함유 화합물 용액의 공급구(31), 전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액의 공급구(32), N2와 H2의 캐리어 가스 공급구(41). 백금계 금속 함유 화합물 용액과, 전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액, 캐리어 가스가 혼합되는 혼합챔버(21), 혼합챔버에서 혼합된 백금계 금속 함유 화합물 용액과, 전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액, 캐리어 가스를 활성영역으로 공급시키는 혼합용액 및 캐리어 가스 공급구(51)이다.Referring to FIG. 2, the plasma device 10 includes an electrode 11, N 2 , Ar, H 2 gas supply port 12, a gas distributor (dispersion filter) 13, an activated platinum-based metal-containing compound and It consists of a nozzle 14 for injecting a conductive material and a carrier gas of N 2 and H 2 to the substrate or injecting a platinum-based metal-containing compound and an insulating material and a carrier gas of N 2 and H 2 to the substrate, and A supply port 31 of a solution containing a metal-based compound, a supply port 32 of a solution in which a conductive material is dispersed or a solution in which an insulating material is dispersed, and a carrier gas supply port 41 of N 2 and H 2 . A mixing chamber 21 in which a solution of a platinum-based metal-containing compound, a solution in which a conductive material is dispersed or a solution in which an insulating material is dispersed, and a carrier gas are mixed, a platinum-based metal-containing compound solution mixed in the mixing chamber, and a conductive material are dispersed A solution or a solution in which an insulating material is dispersed, a mixed solution for supplying a carrier gas to the active region, and a carrier gas supply port 51.

상기 노즐(14)에서 분사되는 활성화된 백금계 금속 함유 화합물과 전도물질, 또는 백금계 금속 함유 화합물과 절연물질 및 N2와 H2의 캐리어 가스는 기판(100)으로 분사되어 백금계 금속과 전도물질 또는 백금계 금속과 절연물질이 증착된다.The activated platinum-based metal-containing compound and the conductive material, or the platinum-based metal-containing compound and the insulating material, and the carrier gas of N 2 and H 2 sprayed from the nozzle 14 are sprayed onto the substrate 100 to form a platinum-based metal and conductive material. A material or platinum-based metal and an insulating material are deposited.

본 발명의 동작과정을 살펴보면, 먼저 플라즈마 장치(10)에 N2, Ar,H2 가스 저장용기(미부여)로부터 N2, Ar 가스의 N2, Ar,H2 가스를 N2, Ar,H2 가스 공급구(12)로 공급시키면서 플라즈마를 발생시켜 활성영역(15)으로 공급시킨다. Looking at the operation process of the present invention, first, N 2 , Ar, H 2 gas of N 2 and Ar gas is supplied from a N 2 , Ar , H 2 gas storage container (not supplied) to the plasma device 10, N 2 , Ar, Plasma is generated and supplied to the active region 15 while being supplied to the H 2 gas supply port 12 .

상기 N2, Ar,H2 가스의 공급압력은 5 ~10bar이고, 바람직하기는 5 ~ 8bar이다. The supply pressure of the N 2 , Ar, H 2 gas is 5 to 10 bar, preferably 5 to 8 bar.

이때 발생된 플라즈마를 압력차에 의해 액적 분산이 가능한 가스 디스트리뷰트(분산필터)(13)를 통과시켜 플라즈마를 분산시켜 활성영역(15)으로 공급시키는 것이 바람직하고, 상기 가스 디스트리뷰트(분산필터)(13)는 플라즈마 장치에서 발생된 플라즈마가 집중되는 것을 분산시키기 위한 용도이다.At this time, it is preferable to pass the generated plasma through a gas distributor (dispersion filter) 13 capable of dispersing droplets by a pressure difference to disperse the plasma and supply it to the active region 15, and the gas distributor (dispersion filter) (13) is for dispersing the concentration of plasma generated in the plasma device.

다음은 백금계 금속 함유 화합물 용액과 전도물질이 분산된 용액, 또는 백금계 금속 함유 화합물 용액 및 절연물질이 분산된 용액을 N2와 H2의 캐리어 가스와 혼합챔버(21)에서 혼합시켜, 백금계 금속 함유 화합물 용액과 전도물질이 분산된 용액을 N2와 H2의 캐리어 가스와 함께 활성영역으로 공급하거나, 또는 백금계 금속 함유 화합물 용액 및 절연물질이 분산된 용액을 N2와 H2의 캐리어 가스와 함께 활성영역(15)으로 공급한다.Next, a solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and a conductive material are dispersed, or a solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and an insulating material are dispersed are mixed with a carrier gas of N 2 and H 2 in the mixing chamber 21 to obtain platinum A solution in which a metal-containing compound solution and a conductive material are dispersed is supplied to the active region together with a carrier gas of N 2 and H 2 , or a solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and an insulating material are dispersed is supplied to the active region. It is supplied to the active region 15 together with the carrier gas.

혼합챔버(21)로 공급되는 캐리어 가스인 N2 : H2의 비는 80 ~ 95 : 5 ~ 20이고, 공급압력을 2 ~ 4Bar이다.The ratio of N 2 : H 2 , which is the carrier gas supplied to the mixing chamber 21, is 80 to 95: 5 to 20, and the supply pressure is 2 to 4 Bar.

상기 N2, Ar,H2 가스의 공급압력은 혼합챔버(21)에 공급되는 캐리어 가스의 공급압력 보다 높은 압력을 갖어야 한다. 이는 높은 압력으로 공급되는 N2, Ar,H2 가스가 발생된 플라즈마를 활성영역(15)으로 이끌면서 이동할때 가스 디스트리뷰트(분산필터)(13)를 통과시켜 플라즈마를 분산시켜 활성영역(15)으로 공급시키고 이로 인해서 상대적으로 낮은 압력으로 혼합챔버에서 활성영역(15)으로 공급되는 백금계 금속 함유 화합물 용액과, 전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액의 액적을 분산시키는 역할을 수행한다.The supply pressure of the N 2 , Ar, and H 2 gases must be higher than the supply pressure of the carrier gas supplied to the mixing chamber 21 . When the N 2 , Ar, H 2 gas supplied at high pressure moves while leading the generated plasma to the active area 15, it passes through the gas distributor (dispersion filter) 13 to disperse the plasma to form the active area 15. and serves to disperse droplets of a platinum-based metal-containing compound solution supplied from the mixing chamber to the active area 15 at a relatively low pressure and a solution in which a conductive material is dispersed or a solution in which an insulating material is dispersed. do.

상기 활성영역(15)에 공급된 백금계 금속 함유 화합물 용액과 전도물질이 분산된 용액, 또는 백금계 금속 함유 화합물 용액 및 절연물질이 분산된 용액을 플라즈마에 의해 기화시키고 활성화된다.A solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and a conductive material are dispersed, or a solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and an insulating material are dispersed, supplied to the active region 15 are vaporized and activated by plasma.

플라즈마는 열을 수반하기 때문에 활성영역(15)에 공급된 백금계 금속 함유 화합물 용액과 전도물질이 분산된 용액, 또는 백금계 금속 함유 화합물 용액 및 절연물질이 분산된 용액을 기화시키고 활성화시킨다.Since plasma accompanies heat, a solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and a conductive material are dispersed or a solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and an insulating material are supplied to the active region 15 are vaporized and activated.

이때, 백금계 금속 함유 화합물을 백금계 금속 및 수소, 염소로 분해되는 환원반응이 일어나면서 활성화 된다.At this time, a reduction reaction in which the platinum-based metal-containing compound is decomposed into platinum-based metal, hydrogen, and chlorine is activated.

상기 활성화된 백금계 금속 함유 화합물과 전도물질, 또는 백금계 금속 함유 화합물과 절연물질 및 N2와 H2의 캐리어 가스를 기판으로 분사시킨다. 이때 기판은 700 ~ 800℃로 가열되는 것이 환원된 백금계 금속(M)과 전도물질, 절연물질이 기판에 증착되는데 효과적이다.The activated platinum-based metal-containing compound and a conductive material, or a platinum-based metal-containing compound and an insulating material, and a carrier gas of N 2 and H 2 are sprayed onto the substrate. At this time, heating the substrate at 700 to 800° C. is effective in depositing the reduced platinum-based metal (M), conductive material, and insulating material on the substrate.

상기 활성영역에 공급된 백금계 금속 함유 화합물 용액과 전도물질이 분산된 용액, 또는 백금계 금속 함유 화합물 용액 및 절연물질이 분산된 용액, 캐리어 가스 중 H2는 플라즈마에 의해 활성되어 반응식1 내지 반응식 4과 같은 반응된다.H 2 in a solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and a conductive material are dispersed, or in a solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and an insulating material are dispersed, and a carrier gas supplied to the active region is activated by plasma to obtain reaction formula 1 to reaction formula The reaction is the same as in 4.

H2MCl6 → M + 2HCl + 2Cl2 (반응식 1)H 2 MCl 6 → M + 2HCl + 2Cl 2 (Scheme 1)

H2MCl6 + xH2 → M + 6HCl + (x-3)H2 (반응식 2)H 2 MCl 6 + xH 2 → M + 6HCl + (x-3)H 2 (Scheme 2)

MCl6 + yH2 → M + 2HCl + 2Cl2 + (y-1)H2 (반응식 3)MCl 6 + yH 2 → M + 2HCl + 2Cl 2 + (y-1)H 2 (Scheme 3)

MCl6 + xH2 → M + 6HCl + (x-3)H2 (반응식 4)MCl 6 + xH 2 → M + 6HCl + (x-3)H 2 (Scheme 4)

상기 백금계 금속(M) 함유 화합물은 백금계열의 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 이리듐(Ir)과 금(Au), 은(Ag), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 몰리브데늄(Mo)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 합금 성분이고, 용액은 물이다.The platinum-based metal (M)-containing compound includes platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), osmium (Os), rhodium (Rh), iridium (Ir), gold (Au), silver ( Ag), iron (Fe), any one selected from the group consisting of nickel (Ni) and molybdenum (Mo) or an alloy component thereof, and the solution is water.

상기 백금계 금속(M) 함유 화합물은 염소(Cl)와 결합된 백금계 금속 화합물이다.The platinum-based metal (M)-containing compound is a platinum-based metal compound combined with chlorine (Cl).

상기 전도물질는 탄소(C), 탄소나노튜브(CNT) 중 하나 이상이고, 산성 분산제를 이용해 물에 용해한다.The conductive material is at least one of carbon (C) and carbon nanotube (CNT), and dissolves in water using an acidic dispersant.

상기 절연물질는 이산화 규소(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 이산화 지르코늄(ZrO2), 이산화 하프늄(HfO2) 중 하나의 단일 금속 산화물 혹은 이의 복합산화물고, 산성 분산제를 이용해 물에 용해한다. The insulating material is a single metal oxide or a composite oxide of one of silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium dioxide (ZrO 2 ), and hafnium dioxide (HfO 2 ), and is dissolved in water using an acidic dispersant. .

상기 플라즈마 장치에 공급되는 전원은 직류, 교류 또는 마이크로 웨이브 전원 중 하나이다.Power supplied to the plasma device is one of direct current, alternating current, and microwave power.

상기 교류 전원의 주파수는 50Hz ~ 500MHz이고, 상기 마이크로 웨이브 전원의 주파수는 1 ~ 10GHz이다.The frequency of the AC power supply is 50 Hz to 500 MHz, and the frequency of the microwave power supply is 1 to 10 GHz.

상기 교류 전원의 전압은 0.1 ~ 50kV이고, 전류는 0.01 ~ 900mA이며, 상기 전압 및 전류에 의해 공급되는 전력은 처리면적 1㎠ 당 1 ~ 500W이다.The voltage of the AC power supply is 0.1 to 50 kV, the current is 0.01 to 900 mA, and the power supplied by the voltage and current is 1 to 500 W per 1 cm2 of treatment area.

본 발명에 의해 백금계 금속이 증착된 박막은 물분해 전해조, 고분자 전해질 연료전지의 전극, 전극촉매층이 코팅된 고분자 전해질 막, 수소를 생산하기 위한 물/SO2 혼합물의 전기분해조, 메탄올 연료전지를 구성하는 고분자 전해질 표면에서 SO2 또는 연료의 투과 억제층으로 사용된다.The thin film deposited with the platinum-based metal according to the present invention is a water decomposition electrolytic cell, an electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte membrane coated with an electrode catalyst layer, a water/SO 2 mixture electrolysis tank for producing hydrogen, and a methanol fuel cell. It is used as a permeation suppression layer of SO 2 or fuel on the surface of the polymer electrolyte constituting the.

<실시예> 백금과 탄소층의 제조<Example> Preparation of platinum and carbon layer

H2PtCl6 을 물에 녹여 10 중량%의 농도를 가진 백금함유 화합물 용액을 제조한다. 물에 탄소나노튜브를 산성분산제에 의해 분산시킨 용액을 제조한다.H 2 PtCl 6 was dissolved in water to prepare a platinum-containing compound solution having a concentration of 10% by weight. A solution in which carbon nanotubes are dispersed in water by an acidic dispersant is prepared.

플라즈마 장치에 N2, Ar,H2 가스를 6Bar의 압력으로 공급하면서, 플라즈마를 발생하여 가스 디스트리뷰터를 통과시켜 활성영역(15)에 플라즈마와 불활성 가스를 공급하였다. 앞서 제조된 백금함유 화합물 용액과 물에 탄소나노튜브를 산성분산제에 의해 분산시킨 용액, 캐리어 가스를 각각 혼합챔버(21)에 공급하여 백금함유 화합물 용액과 물에 탄소나노튜브를 산성분산제에 의해 분산시킨 용액, 캐리어 가스 혼합시키면서 혼합된 가스를 활성영역에 공급하였다.While supplying N 2 , Ar, and H 2 gases to the plasma device at a pressure of 6 Bar, plasma was generated and passed through a gas distributor to supply plasma and inert gas to the active region 15 . A solution obtained by dispersing carbon nanotubes in the previously prepared platinum-containing compound solution and water by acid dispersing agent, and a carrier gas are supplied to the mixing chamber 21, respectively, and carbon nanotubes are dispersed in the platinum-containing compound solution and water by acid dispersing agent. While mixing the solution and the carrier gas, the mixed gas was supplied to the active region.

활성영역에서 H2PtCl6 → Pt + 2HCl + 2Cl2 반응이 일어나면서 활성화되고, 또한 탄소나노튜브의 탄소(C)도 활성화된다.In the active area, H 2 PtCl 6 → Pt + 2HCl + 2Cl 2 reaction occurs and is activated, and carbon (C) of the carbon nanotube is also activated.

활성화된 백금(Pt)와 탄소(C)를 가열된 기판에 분사시켜 기판에 백금(Pt)와 탄소(C)가 증착시켰다. 상기 플라즈마 장치로부터 환원되어 또는 기판에서 환원되어 기판에 증착된 백금(Pt)와 탄소(C) 성분을 X-선 회절장치(Rigaku-SA-HF3)를 이용하여 X-선 회절분석(X-ray Diffraction: XRD)을 실시하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.Activated platinum (Pt) and carbon (C) were sprayed onto the heated substrate to deposit platinum (Pt) and carbon (C) on the substrate. X-ray diffraction analysis (X-ray diffraction) of platinum (Pt) and carbon (C) components reduced from the plasma device or reduced from the substrate and deposited on the substrate using an X-ray diffractometer (Rigaku-SA-HF3) Diffraction: XRD) was performed, and the results are shown in FIG. 3 .

도 3에 나타낸 바와 같이, 기판에 증착된 백금과 탄소박막은 염소(Cl)가 포함되지 않은 순수한 백금(Pt)으로 구성되어 있음을 확인하였다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 백금(Pt)와 탄소(C)의 전도층은 순수한 백금 박막으로서, 전기화학 셀의 전극 촉매층으로 사용될 수 있다.As shown in FIG. 3, it was confirmed that the platinum and carbon thin films deposited on the substrate were composed of pure platinum (Pt) without chlorine (Cl). Therefore, the conductive layer of platinum (Pt) and carbon (C) prepared according to the present invention is a pure platinum thin film and can be used as an electrode catalyst layer of an electrochemical cell.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.Although the invention made by the present inventors has been specifically described according to the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments and can be changed in various ways without departing from the gist of the invention.

플라즈마 장치(10)
전극(11) N2, Ar,H2 가스 공급구(12)
가스 디스트리뷰트(분산필터)(13) 노즐(14)
활성화 영역(15)
혼합챔버(21)
백금계 금속 함유 화합물 용액의 공급구(31)
전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액의 공급구(32)
캐리어 가스 공급구(41) 혼합용액 및 캐리어 가스 공급구(51)
기판(100)
Plasma device (10)
Electrode (11) N 2, Ar, H 2 Gas supply port (12)
Gas distributor (dispersion filter) (13) Nozzle (14)
Activation area (15)
Mixing chamber (21)
Supply port 31 of a platinum-based metal-containing compound solution
Supply port 32 of a solution in which a conductive material is dispersed or an insulating material is dispersed in a solution
Carrier gas supply port (41) Mixed solution and carrier gas supply port (51)
Substrate(100)

Claims (4)

전극(11),
N2, Ar,H2 가스 공급구(12),
가스 디스트리뷰트(분산필터)(13),
활성영역(15),
노즐(14),
백금계 금속 함유 화합물 용액의 공급구(31),
전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액의 공급구(32),
N2와 H2의 캐리어 가스 공급구(41).
백금계 금속 함유 화합물 용액과, 전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액, 캐리어 가스가 혼합되는 혼합챔버(21),
혼합용액 및 캐리어 가스 공급구(51)로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 증착장치.
electrode 11;
N 2, Ar, H 2 gas supply port (12),
Gas distribution (dispersion filter) (13),
Active area (15),
nozzle 14;
A supply port 31 for a platinum-based metal-containing compound solution;
A supply port 32 of a solution in which a conductive material is dispersed or a solution in which an insulating material is dispersed,
N 2 and H 2 carrier gas supply port (41).
A mixing chamber 21 in which a platinum-based metal-containing compound solution, a conductive material-dispersed solution or an insulating material-dispersed solution, and a carrier gas are mixed;
A deposition apparatus using plasma, characterized in that it consists of a mixed solution and a carrier gas supply port (51).
제 1 항에 있어서,
혼합용액 및 캐리어 가스 공급구(51)는 혼합챔버에서 혼합된 백금계 금속 함유 화합물 용액과, 전도물질이 분산된 용액 또는 절연물질이 분산된 용액, 캐리어 가스를 활성영역(15)으로 공급시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 증착장치.
According to claim 1,
The mixed solution and carrier gas supply port 51 supplies the platinum-based metal-containing compound solution mixed in the mixing chamber, the conductive material-dispersed solution or the insulating material-dispersed solution, and the carrier gas to the active region 15. Evaporation apparatus using the characterized plasma.
제 1 항에 있어서,
활성영역(15)은 백금계 금속 함유 화합물 용액과 전도물질이 분산된 용액, 또는 백금계 금속 함유 화합물 용액 및 절연물질이 분산된 용액, 캐리어 가스 중 H2가 플라즈마에 의해 활성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 증착장치
According to claim 1,
The active region 15 is a solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and a conductive material are dispersed, or a solution in which a platinum-based metal-containing compound solution and an insulating material are dispersed, and H 2 in a carrier gas is activated by plasma. Evaporation device using plasma
제 1 항에 있어서,
상기 캐리어 가스인 N2 : H2의 비는 80 ~ 95 : 5 ~ 20이고, 캐리어 가스의 공급압력은 상기 N2, Ar,H2 가스의 압력 보다 낮은 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 증착장치.
According to claim 1,
The ratio of the carrier gas N 2 : H 2 is 80 to 95 : 5 to 20, and the supply pressure of the carrier gas is lower than the pressure of the N 2 , Ar, H 2 gas.
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