Titanium Nitride Thin Films using Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition for the Metallic Bipolar Plates of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell = 고분자전해질 연료전지의 금속 분리판을 위한 PEALD-TiN 코팅
저자
발행사항
부산 : 부산대학교 대학원, 2016
학위논문사항
학위논문(석사)-- 부산대학교 대학원 : 재료공학과 2016. 8
발행연도
2016
작성언어
영어
주제어
DDC
621.38152 판사항(23)
발행국(도시)
부산
형태사항
77 장 : 삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Kwon Se Hun
참고문헌: 장 67-73
DOI식별코드
소장기관
고분자전해질 연료전지에서 스테인리스강 분리판은 주요 부품으로서 반응가스를 전극 전체에 고르게 분배하고 연료와 공기 및 냉각수가 원활하게 흐르도록하는 통로역할을 한다. 뿐만 아니라, 셀 간의 연료와 공기의 혼합을 방지하면서 각 셀이 전기적으로 연결되도록 하고, 전극지지체를 단단히 지지하는 역할을 한다. 하지만 화학적 안정성이 낮아 산성 분위기의 고분자전해질 연료전지의 구동환경에서 부식이 발생하여 금속합금 성분의 이온이 용출되고, 절연성의 부동태 피막이 표면에 형성되는 단점이 있다. 따라서 금속 분리판 표면에 고전도성, 고내식성의 코팅층이 필요하나, 물리적 기상 증착법(Physical vapor deposition, PVD)과 같이 주로 사용되는 코팅 기법은 코팅층에 결함을 유발하여 내구성에 문제가 되고 있다.
본 연구에서는 자기 제한적 성질을 가지고 우수한 단차피복성과 막질이 좋은 박막을 형성시킬 수 있는 플라즈마강화 원자층 증착법(Plasma-enhanced atomic layer deposition, PEALD)을 이용하여 TiN 박막을 316L 스테인리스강 (316L stainless steel, SS316L)에 코팅하여 전도성과 내식성 향상을 살펴보았다. PEALD-TiN의 전구체로 TDMAT와 TiCl4를 사용하고 비교 및 분석을 실시하였다. 전구체 종류와 상관없이, TiN 박막이 코팅된 SS316L은 코팅되지 않은 SS316L에 비하여 전기적 전도성과 부식저항성이 향상되었다. TiCl4를 이용한 TiN 박막은 상대적으로 높은 박막 밀도와 낮은 불순물로 인해 TDMAT 이용한 TiN 박막에 비해 우수한 전기적 전도성을 가졌으나, 낮은 부식 저항성을 가졌다. TDMAT를 이용하여 TiN 박막을 코팅한 SS316L 시편은 SS316L 기판과 TiN 박막 사이에 약 5 nm 두께의 얇은 비정질 계면층이 존재 하여 SS316L의 부식저항성을 향상시켰으며, 우수한 부식 저항성(<1 μA/cm2)을 나타내었다. 뿐만 아니라, TDMAT를 이용한 TiN 박막이 코팅된 SS316L은 127 N/cm2의 압축 하중에서 SS316L의 접촉저항을 35.868에서 15.239 mΩ∙cm2로 낮추었다.
결과적으로, 본 연구에서는 약 25 - 67 nm의 얇은 두께의 PEALD-TiN 박막코팅으로 SS316L의 부식저항성과 접촉저항성을 향상시킨 것을 확인하고, PEALD가 고분자전해질 연료전지 분리판의 보호 코팅층 증착 기법으로 활용이 가능함을 확인하였다.
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