[국내논문]유도 결합 플라즈마-스퍼터 승화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 분리판용 CrN 박막의 내식성연구 Anti-corrosion Properties of CrN Thin Films Deposited by Inductively Coupled Plasma Assisted Sputter Sublimation for PEMFC Bipolar Plates원문보기
In this study, low-cost, high-speed deposition, excellent processability, high mechanical strength and electrical conductivity, chemical stability and corrosion resistance of stainless steel to meet the obsessive-compulsive (0.1 mm or less) were selected CrN thin film. new price reduction to sputter...
In this study, low-cost, high-speed deposition, excellent processability, high mechanical strength and electrical conductivity, chemical stability and corrosion resistance of stainless steel to meet the obsessive-compulsive (0.1 mm or less) were selected CrN thin film. new price reduction to sputter deposition causes - the possibility of sublimation source for inductively coupled plasma Cr rods were attempts by DC bias. 0.6 Pa Ar inductively coupled plasmas of 2.4 MHz, 500 W, keeping Cr Rod DC bias power 30 W (900 V, 0.02 A) is applied, $N_2$ flow rate of 0.5, 1.0, 1.5 sccm by varying the characteristics of were analyzed. $N_2$ flow rate increases, decreases and $Cr_2N$, CrN was found to increase. In addition to corrosion resistance and contact resistance, corrosion resistance, electrical conductivity was evaluated. corrosion current density than $N_2$ 0 sccm was sure to rise in all, $N_2$ 1 sccm at $4.390{\times}10^{-7}$ (at 0.6 V) $A{\cdot}cm^{-2}$, respectively. electrical conductivity process results when $N_2$ 1 sccm 28.8 $m{\Omega}/cm^2$ with the lowest value of the contact resistance was confirmed that came out. The OES (SQ-2000) and QMS (CPM-300) using a reactive deposition process to add $N_2$ to maintain a uniform deposition rate was confirmed that.
In this study, low-cost, high-speed deposition, excellent processability, high mechanical strength and electrical conductivity, chemical stability and corrosion resistance of stainless steel to meet the obsessive-compulsive (0.1 mm or less) were selected CrN thin film. new price reduction to sputter deposition causes - the possibility of sublimation source for inductively coupled plasma Cr rods were attempts by DC bias. 0.6 Pa Ar inductively coupled plasmas of 2.4 MHz, 500 W, keeping Cr Rod DC bias power 30 W (900 V, 0.02 A) is applied, $N_2$ flow rate of 0.5, 1.0, 1.5 sccm by varying the characteristics of were analyzed. $N_2$ flow rate increases, decreases and $Cr_2N$, CrN was found to increase. In addition to corrosion resistance and contact resistance, corrosion resistance, electrical conductivity was evaluated. corrosion current density than $N_2$ 0 sccm was sure to rise in all, $N_2$ 1 sccm at $4.390{\times}10^{-7}$ (at 0.6 V) $A{\cdot}cm^{-2}$, respectively. electrical conductivity process results when $N_2$ 1 sccm 28.8 $m{\Omega}/cm^2$ with the lowest value of the contact resistance was confirmed that came out. The OES (SQ-2000) and QMS (CPM-300) using a reactive deposition process to add $N_2$ to maintain a uniform deposition rate was confirmed that.
본 연구는 CrN 단일층의 코팅을 진행하게 되면 고전도 부식성 박막을 얻을 수 있고, 공정 중 증발속도가 저하되지 않으면서 고속 증착이 가능하고, 증착 층의 성질을 고밀도 플라즈마로 조절이 가능하며, 이와 같은 장점을 모두 갖춘 시스템을 설계하고자 하였다. Cr을 증착하는 부분에 있어서 스퍼터링과 열 증발법을 동시에 사용하되, 열 증발법에 중점을 둔 코팅 공정을 개발하여 연료전지 분리판의 생산성을 높이고자 하였다.
6 V) A·cm−2로 나온 결과가 있다4). 본 연구는 CrN 단일층의 코팅을 진행하게 되면 고전도 부식성 박막을 얻을 수 있고, 공정 중 증발속도가 저하되지 않으면서 고속 증착이 가능하고, 증착 층의 성질을 고밀도 플라즈마로 조절이 가능하며, 이와 같은 장점을 모두 갖춘 시스템을 설계하고자 하였다. Cr을 증착하는 부분에 있어서 스퍼터링과 열 증발법을 동시에 사용하되, 열 증발법에 중점을 둔 코팅 공정을 개발하여 연료전지 분리판의 생산성을 높이고자 하였다.
제안 방법
본 장비는 진공을 형성, 유지시키는 진공시스템과 Ar 이온을 발생시키게 하는 플라즈마 발생장치(Inductively Coupled Plasma) 그리고 내부 50 mm 직경의 quartz tube가 삽입되어 있다. Cr 타겟의 증발법 가능 여부를 확인하기 위하여 2.4 MHz, 유도결합 플라즈마(ICP)를 방전하여 Ar gas 분위기에서 고밀도의 Ar+를 20분 방전시켰고, ICP 내부 중심에 금속 타겟을 위치하였으며 DC 바이어스를 인가하여 타켓을 이온 충격에 의한 가열을 진행하였다. 또한 실시간 공정을 확인하기 위해서 OES(SQ-2000), QMS(CPM-300)을 사용하여 분석을 하였다.
그림 16, 17는 Ar 30 sccm, ICP 500 W, bias 900 V, 공정압력 0.6 Pa, N2 1.0 SCCM에서 표면처리에 따른 박막의 거칠기를 비교하였다. 그림 16의 경우 average roughness는 28.
본 연구에서 사용하였던 내 부식특성을 알아보기 위한 테스트는 포화 감홍 전극을 사용하였다. 수용액 중에서 전극 전위나 pH를 측정하는 경우에 사용하는 기준 전극의 일종으로 가장 널리 사용되었지만 수은의 공해 때문에 점차 포화 염화은 전극이 더 많이 사용되게 되었다.
성능/효과
연료전지 금속 분리판에 새로운 방법인 sputtersublimation법으로 CrN 박막을 SUS plate에 성공적으로 증착하였고, CrN 코팅이 진행되어, 고전도 내부식성 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 공정 중 증발속도가 저하되지 않으면서 고속 증착이 가능하고, 증착층의 성질을 고밀도 플라즈마로 조절이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 또한 QMS에서 공정 중 실시간 모니터링 한 결과 균일하게 공정을 하는 것을 확인할 수 있었다. 이것을 바탕으로 양산성에도 가능하다는 것을 나타내 기대를 할 수가 있다.
연료전지 금속 분리판에 새로운 방법인 sputtersublimation법으로 CrN 박막을 SUS plate에 성공적으로 증착하였고, CrN 코팅이 진행되어, 고전도 내부식성 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 공정 중 증발속도가 저하되지 않으면서 고속 증착이 가능하고, 증착층의 성질을 고밀도 플라즈마로 조절이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 또한 QMS에서 공정 중 실시간 모니터링 한 결과 균일하게 공정을 하는 것을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연료전지란 무엇인가?
연료전지는 화학반응에 의해 생긴 에너지를 직접 전기에너지로 바꾸는 전기화학 장치로 배터리와는 달리 연료를 공급하는 동안 계속해서 전기를 발생할 수 있다. 연료전지를 활용한 자동차 시장과 휴대용 연료전지는 앞으로의 기술개발 및 시장 선점에 있어서 치열한 경쟁을 예고하고 있다1).
고분자 전해질 연료전지가 낮은 온도인 약 80도에서 작동이 됨이 의미하는 것은?
연료전지는 그 장단점들이 있는데, 그 중에서 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 낮은 온도인 약 80oC에서작동이 된다. 이것은 연료전지가 빠른 속도로 예열되고 고가의 차폐구조를 필요로 하지 않음을 의미한다. 또한 고분자 전해질 연료전지는 제작이 용이하고, 다른 연료전지에 비해 부피를 줄일 수 있다는 장점 때문에 현재 자동차용으로 연구개발이 활발히 진행되고 있다2).
연료전지의 피막소재에 요구되는 성질에는 어떠한 것들이 있는가?
또한 고분자 전해질 연료전지는 제작이 용이하고, 다른 연료전지에 비해 부피를 줄일 수 있다는 장점 때문에 현재 자동차용으로 연구개발이 활발히 진행되고 있다2). 연료전지의 피막소재는 필요한 고온경도, 열적 및 기계적 피로에 대한 저항성, 강한 밀착력, 화학적 안정성 및 낮은 마찰계수 등의 성질을 만족해야 하며, PVD, CVD 공정으로 얻을 수 있는 코팅 층의 종류로 TiN, CrN, TiCN 외 에도 Ti-Hf-N, Ti-V-N, Cr-Nb-C, Ti-V-C 등의 다성분, 다층의 피복층이 있으며 현재도 많은 피막소재 및 피막공정기술이 개발해 있지만, 단층의 박막에서는 DOE 기준 부식전류밀도에 못 미치는 경우가 많다3). CrN 박막은 PVD와 CVD와 같은 다양한 코팅 프로세스로 제작되고 있는데 여러 가지 프로세스 중에서도 마그네트론 스퍼터법은 뛰어난 재현성과 밀착력, 높은 성막속도와 낮은 기판온도에서도 코팅이 가능하기 때문에 가장 널리 사용되고 있다.
참고문헌 (14)
Y. Chiba, T. Omura, H. Ichimura, J. Mater. Res., 8 (1993) 1109.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.