KR20230155276A - Method of forming carbon coating layer on metal plate having excellent corrosion resistane and metal plate manufactured by using the same - Google Patents

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KR20230155276A
KR20230155276A KR1020220054971A KR20220054971A KR20230155276A KR 20230155276 A KR20230155276 A KR 20230155276A KR 1020220054971 A KR1020220054971 A KR 1020220054971A KR 20220054971 A KR20220054971 A KR 20220054971A KR 20230155276 A KR20230155276 A KR 20230155276A
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Abstract

본 발명은 별도의 접합층 또는 바인더 수지층 없이도 금속기판 위에 접합력이 우수하고 균일한 도전성 탄소 코팅층을 용이하게 형성시킴으로써 고온이나 산성 환경과 같이 가혹한 부식 조건 하에서도 내식성이 우수한 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법, 이를 이용하여 제조되는 금속기판에 관한 것이다.The present invention provides a method of forming a carbon coating layer on a metal substrate with excellent corrosion resistance even under harsh corrosion conditions such as high temperature or acidic environments by easily forming a conductive carbon coating layer with excellent bonding strength and uniformity on a metal substrate without a separate bonding layer or binder resin layer. , relates to a metal substrate manufactured using this.

Description

내식성이 우수한 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법, 이를 이용하여 제조되는 금속기판{Method of forming carbon coating layer on metal plate having excellent corrosion resistane and metal plate manufactured by using the same}Method of forming carbon coating layer on metal substrate with excellent corrosion resistance, metal substrate manufactured using the same

본 발명은 내식성이 우수한 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법, 이를 이용하여 제조되는 금속기판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 접합층 또는 바인더 수지층 없이도 금속기판 위에 접합력이 우수하고 균일한 도전성 탄소 코팅층을 용이하게 형성시킴으로써 고온이나 산성 환경과 같이 가혹한 부식 조건 하에서도 내식성이 우수한 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법, 이를 이용하여 제조되는 금속기판에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a carbon coating layer on a metal substrate with excellent corrosion resistance and a metal substrate manufactured using the same. More specifically, a conductive carbon coating layer with excellent bonding strength and uniformity on a metal substrate without a separate bonding layer or binder resin layer. It relates to a method of forming a carbon coating layer on a metal substrate that has excellent corrosion resistance even under severe corrosion conditions such as high temperature or an acidic environment by easily forming a carbon coating layer, and a metal substrate manufactured using the same.

도전성이 우수한 금속기판은 연료전지 또는 수전해 분리용 세퍼레이터 등에 이용된다. 이러한 용도의 금속기판은 우수한 내식성이 요구되므로, 이를 위해 금속기판 표층에 그라파이트(Graphite)나 그래핀(Graphene) 등의 도전성 탄소 코팅층을 형성하여 모재인 금속기판을 보호한다. 그러나 탄소 코팅층과 금속기판 간의 접합력이 낮아, 종래에는 이를 해결하기 위해 별도의 접합층이나 바인더 수지층을 이용하여 탄소 코팅층을 접합시켰으나, 그로 인해 전도성과 내식성이 감소하는 문제가 발생하였다. 아울러, 그라파이트(Graphite)을 물리/화학적으로 분리하여 그래핀(Graphene)을 제작한 후 이를 코팅층에 첨가하는 경우 제조 공정이 복잡해지는 문제도 있었다.Metal substrates with excellent conductivity are used in fuel cells or separators for water electrolysis separation. Metal substrates for these purposes require excellent corrosion resistance, so to this end, a conductive carbon coating layer such as graphite or graphene is formed on the surface of the metal substrate to protect the base metal substrate. However, the adhesion between the carbon coating layer and the metal substrate is low, and in the past, to solve this problem, the carbon coating layer was joined using a separate bonding layer or a binder resin layer, but this led to the problem of decreased conductivity and corrosion resistance. In addition, when graphite is physically/chemically separated to produce graphene and then added to the coating layer, there is a problem that the manufacturing process becomes complicated.

대한민국 공개특허공보 제 10-2010-0050252호 (공개일자 : 2010.05.13)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2010-0050252 (Publication date: 2010.05.13) PCT 공개특허공보 WO2010-112468 (공개일자 : 2010.10.07)PCT Open Patent Publication WO2010-112468 (Publication date: 2010.10.07)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 별도의 접합층 또는 바인더 수지층 없이도 금속기판 위에 접합력이 우수하고 균일한 도전성 탄소 코팅층을 용이하게 형성시킴으로써 고온이나 산성 환경과 같이 가혹한 부식 조건 하에서도 내식성이 우수한 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법, 이를 이용하여 제조되는 금속기판을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was developed to overcome the above-described shortcomings of the prior art, by easily forming a conductive carbon coating layer with excellent adhesion and uniformity on a metal substrate without a separate bonding layer or binder resin layer, so that it can be used in high temperature or acidic environments. The purpose is to provide a method for forming a carbon coating layer on a metal substrate with excellent corrosion resistance even under severe corrosion conditions, and a metal substrate manufactured using the same.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법은 챔버 내부에서 금속기판과 일정 단면적을 가지는 탄소재를 접합시켜 접합면을 형성하는 단계; 상기 챔버 내부가 진공 분위기 및 600 내지 1200 ℃인 상태에서, 상기 금속기판과 상기 탄소재를 밀착 가압하여 상기 접합면에 탄소 코팅층을 형성시키는 단계; 및 상기 탄소재를 상기 탄소 코팅층으로부터 분리시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above technical problem, the method of forming a carbon coating layer on a metal substrate according to the present invention includes the steps of forming a bonding surface by bonding a metal substrate and a carbon material having a certain cross-sectional area inside a chamber; Forming a carbon coating layer on the joint surface by closely pressing the metal substrate and the carbon material in a vacuum atmosphere and 600 to 1200° C. inside the chamber; And separating the carbon material from the carbon coating layer.

상기 금속기판은 크롬(Cr) 첨가 합금, 스테인레스 강, 탄소강 또는 비철금속 소재일 수 있다.The metal substrate may be a chromium (Cr)-added alloy, stainless steel, carbon steel, or non-ferrous metal material.

상기 탄소재는 그라파이트(graphite) 또는 그래핀(graphene)일 수 있다.The carbon material may be graphite or graphene.

상기 금속기판과 상기 탄소재를 0.01 내지 150 MPa으로 밀착 가압할 수 있으며, 이때 상기 탄소 코팅층과 상기 금속기판 사이에 카바이드 리치(carbide rich)층이 형성될 수 있다.The metal substrate and the carbon material may be closely pressed to 0.01 to 150 MPa, and at this time, a carbide rich layer may be formed between the carbon coating layer and the metal substrate.

상기 금속기판과 상기 탄소재를 0.01 내지 1 MPa으로 밀착 가압시킬 경우, 상기 탄소재와 상기 금속기판 간 확산접합에 의해 상기 탄소 코팅층이 형성될 수 있다.When the metal substrate and the carbon material are closely pressed to 0.01 to 1 MPa, the carbon coating layer may be formed by diffusion bonding between the carbon material and the metal substrate.

상기 금속기판과 상기 탄소재를 1 내지 150 MPa으로 밀착 가압시킬 경우, 상기 탄소재와 상기 금속기판 간 상호확산에 의해 상기 탄소 코팅층이 형성될 수 있으며, 이때 탄소 코팅층은 그래핀 나노플레이트(graphene nanoplatelet)와 그라파이트(graphite)를 포함하여 이루어질 수 있다.When the metal substrate and the carbon material are closely pressed at 1 to 150 MPa, the carbon coating layer may be formed by mutual diffusion between the carbon material and the metal substrate. In this case, the carbon coating layer is a graphene nanoplatelet. ) and graphite.

상기 탄소 코팅층의 두께는 0.005 내지 1,500 μm일 수 있다.The thickness of the carbon coating layer may be 0.005 to 1,500 μm.

또 다른 본 발명은 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법을 이용하여 표면에 탄소 코팅층이 형성된 금속기판에 있어서, 상기 탄소 코팅층은 카바이드 리치(carbide rich)층을 포함하며, 상기 금속기판은 크롬(Cr) 첨가 합금, 스테인레스 강, 탄소강 또는 비철금속 소재인 것을 특징으로 한다. Another present invention relates to a metal substrate having a carbon coating layer formed on the surface using a method of forming a carbon coating layer on a metal substrate, wherein the carbon coating layer includes a carbide rich layer, and the metal substrate is chromium (Cr) added. It is characterized by being made of alloy, stainless steel, carbon steel, or non-ferrous metal.

또 다른 본 발명은 상기 금속기판을 포함하는 연료전지용 세퍼레이터 또는 수전해 분리용 세퍼레이터인 것을 특징으로 한다.Another present invention is characterized in that it is a separator for fuel cells or a separator for water electrolysis separation including the metal substrate.

본 발명의 실시예에 따르면, 아래와 같은 효과를 기대할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the following effects can be expected.

1. 그라파이트(graphite), 그라핀(graphene) 등의 탄소 물질의 경우 금속과의 화학적 결합력이 낮아 코팅 적용 시 내구성이 낮으나, 본 발명에 따른 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법은 진공 분위기에서 가압된 상태로 열처리를 진행하여 탄소와 금속간의 확산접합 또는 상호 확산을 통해 별도의 삽입제나 수지 적용 없이 금속기판 표면에 결합력이 우수한 탄소 코팅층을 형성할 수 있어, 고온 및 산성 환경에서 내식성과 전도성이 우수한 금속기판 및 이를 이용한 연료전지용 또는 수전해 분리용 세퍼레이터를 제공할 수 있다.1. In the case of carbon materials such as graphite and graphene, the chemical bonding force with metal is low and durability when applied as a coating is low. However, the method of forming a carbon coating layer on a metal substrate according to the present invention is performed in a pressurized state in a vacuum atmosphere. Through heat treatment, a carbon coating layer with excellent bonding power can be formed on the surface of a metal substrate through diffusion bonding or mutual diffusion between carbon and metal without applying a separate insert or resin, making it a metal substrate with excellent corrosion resistance and conductivity in high temperature and acidic environments. And a separator for fuel cells or water electrolysis separation using the same can be provided.

2. 그라파이트(Graphite)를 물리/화학적으로 분리하여 그라핀(graphene)을 제작한 이후 코팅에 첨가하는 기존 방식과 달리, 본 발명에 따른 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법은 단일공정으로 그라파이트(graphite)로 부터 금속 표면에 직접 그라핀(graphene) 생성이 가능하다.2. Unlike the existing method of physically/chemically separating graphite to produce graphene and then adding it to the coating, the method of forming a carbon coating layer on a metal substrate according to the present invention produces graphite in a single process. It is possible to produce graphene directly on the metal surface.

3. 제한된 면적에 대해서만 코팅이 가능한 기존의 CVD 등의 그라핀(graphene) 코팅 방식과 비교하여, 본 발명에 따른 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법은 대면적 금속기판에 대한 100% 피복 코팅이 가능하다.3. Compared to existing graphene coating methods such as CVD, which can only coat a limited area, the method of forming a carbon coating layer on a metal substrate according to the present invention enables 100% coating coating on a large area metal substrate. .

4. 본 발명에 따른 금속기판을 이용하여 제조된 연료전용 세퍼레이터는 인산형연료전지(PAFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 등의 환경에서도 내식성이 우수하여 적용 가능하며, 알칼리 수전해 및 PEM수전해 설비의 세퍼레이터 또는 전극, 고온의 산성/염기성 환경의 금속 소제 내식성 코팅 (200도 인산, 80도 황산, 80도 수산화 칼륨 등)등에도 적용이 가능하다.4. The fuel-only separator manufactured using the metal substrate according to the present invention has excellent corrosion resistance even in environments such as phosphoric acid fuel cells (PAFC) and polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), and can be applied to alkaline water electrolysis and PEM water taps. It can also be applied to separators or electrodes in marine equipment, metal cleaning agents in high-temperature acidic/basic environments, and corrosion-resistant coatings (200 degrees phosphoric acid, 80 degrees sulfuric acid, 80 degrees potassium hydroxide, etc.).

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 고가압(1 내지 150 MPa) 밀착에 의해 금속기판에 탄소 코팅층을 형성하는 방법을 나타내는 설명도이다.
도 2는 본 발명에 따른 저가압(0.01 내지 1 MPa) 밀착에 의해 금속기판에 탄소 코팅층을 형성하는 방법을 나타내는 설명도이다.
도 3은 본 발명에 따라 그라파이트 탄소재와 STS 금속기재를 밀착 가압 전후의 표면 상태를 나타내는 비교 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1실시예의 탄소 코팅층 절단면의 확대 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 제2실시예의 탄소 코팅층 절단면의 확대 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 제2실시예의 탄소 코팅층의 XRD 분석그래프이다.
Figure 1 is an explanatory diagram showing a method of forming a carbon coating layer on a metal substrate by high pressure (1 to 150 MPa) adhesion according to the present invention.
Figure 2 is an explanatory diagram showing a method of forming a carbon coating layer on a metal substrate by low pressure (0.01 to 1 MPa) adhesion according to the present invention.
Figure 3 is a comparative photograph showing the surface state of a graphite carbon material and an STS metal substrate before and after close contact pressing according to the present invention.
Figure 4 is an enlarged photograph of a cut surface of the carbon coating layer of the first embodiment according to the present invention.
Figure 5 is an enlarged photograph of a cut surface of the carbon coating layer of the second embodiment according to the present invention.
Figure 6 is an XRD analysis graph of the carbon coating layer of the second embodiment according to the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms and, therefore, is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

본 발명에 따른 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법은 챔버 내부에서 금속기판과 일정 단면적을 가지는 탄소재를 접합시켜 접합면을 형성하는 단계; 상기 챔버 내부가 진공 분위기 및 600 내지 1200 ℃인 상태에서, 상기 금속기판과 상기 탄소재를 밀착 가압하여 상기 접합면으로부터 탄소 코팅층을 형성시키는 단계; 및 상기 탄소재를 상기 탄소 코팅층으로부터 분리시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method of forming a carbon coating layer on a metal substrate according to the present invention includes forming a bonding surface by bonding a metal substrate and a carbon material having a certain cross-sectional area inside a chamber; Forming a carbon coating layer from the joint surface by closely pressing the metal substrate and the carbon material in a vacuum atmosphere and 600 to 1200° C. inside the chamber; And separating the carbon material from the carbon coating layer.

상기 금속기판은 크롬(Cr) 첨가 합금, 스테인레스 강, 탄소강 또는 구리, 아연, 주석, 알루미늄, 티타늄, 텡스텐, 니켈, 몰리브덴, 코발트 등의 비철금속 소재인 것이 바람직하며, 상기 금속기판 표면은 2B 수준의 표면 조도를 갖는 것이 적합하다. The metal substrate is preferably made of a chromium (Cr)-added alloy, stainless steel, carbon steel, or non-ferrous metal such as copper, zinc, tin, aluminum, titanium, tungsten, nickel, molybdenum, and cobalt, and the surface of the metal substrate is 2B level. It is suitable to have a surface roughness of

상기 탄소재는 그라파이트(graphite) 또는 그래핀(graphene)일 수 있다.The carbon material may be graphite or graphene.

상기 챔버 내부의 온도를 600 내지 1200℃ 수준으로 유지하는 것이 바람직하며, 이때 진공 열처리 시 금속 표면에 탄소재를 접촉시킨 상태에서 금속 표면과 탄소재의 접합면을 가압상태로 유지하는 것이 더욱 바람직하다. 만약 챔버 내부 온도가 600℃ 미만일 경우 불균일한 코팅층이 형성될 수 있으며, 이러한 코팅층의 불균일성은 내식성 및 코팅품질이 저하의 문제를 유발할 수 있다.It is preferable to maintain the temperature inside the chamber at a level of 600 to 1200°C, and at this time, it is more preferable to keep the bonding surface of the metal surface and the carbon material in a pressurized state while the carbon material is in contact with the metal surface during vacuum heat treatment. . If the temperature inside the chamber is less than 600°C, a non-uniform coating layer may be formed, and this non-uniformity of the coating layer may cause problems with deterioration in corrosion resistance and coating quality.

상기 챔버 내부의 진공도는 10-5 torr 인 것이 바람직하다.The vacuum degree inside the chamber is preferably 10-5 torr.

탄소 코팅층은 챔버 내부 환경조건에 따라 그래핀(graphene), 그라파이트(graphite)이거나, 그래핀(graphene)과 그라파이트(graphite)의 혼합층으로 이루어질 수 있으며, 코팅의 두께는 요구 조건에 따라 달라질 수 있으나, 0.005 ~ 1,500 μm 인 것이 바람직하다.The carbon coating layer may be made of graphene, graphite, or a mixed layer of graphene and graphite depending on the environmental conditions inside the chamber, and the thickness of the coating may vary depending on requirements. It is preferably 0.005 to 1,500 μm.

본 발명에 따른 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법은 상기 금속기판과 그라파이트(graphite)인 상기 탄소재가 상호 밀착 가압되는 정도에 따라 달라진다. 이는 도 3과 같이 밀착시키는 압력에 따라 금속기판과 금속재의 표면의 상태가 달라짐을 확인할 수 있다.The method of forming a carbon coating layer on a metal substrate according to the present invention varies depending on the degree to which the metal substrate and the carbon material, which is graphite, are pressed into close contact with each other. It can be confirmed that the state of the surface of the metal substrate and the metal material varies depending on the pressure of adhesion as shown in Figure 3.

먼저, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 금속기판과 상기 탄소재인 그라파이트(graphite)를 1 내지 150 MPa의 상대적인 고가압으로 밀착시킬 경우, 상기 탄소재와 상기 금속기판 간 확산접합(Diffusion bonding)이 이루어지고, 상기 탄소 코팅층은 상기 금속기판으로부터 카바이드 리치(carbide rich)층이 형성되고, 그 위에 그라파이트(graphite)층의 순으로 형성된다. 상기 카바이드 리치(carbide rich) 층에 의해 우수한 접합력을 가지게 된다. 상호 밀착시키는 정도 및 챔버 내부 환경에 따라 그라파이트(graphite)과 그라핀(graphene) 혼합층이 형성될 수 있다. First, as shown in Figure 1, when the metal substrate and the carbon material, graphite, are brought into close contact with a relatively high pressure of 1 to 150 MPa, diffusion bonding between the carbon material and the metal substrate occurs. The carbon coating layer is formed in that order: a carbide-rich layer is formed from the metal substrate, and then a graphite layer is formed thereon. Excellent bonding strength is achieved due to the carbide rich layer. Depending on the degree of adhesion to each other and the environment inside the chamber, a mixed layer of graphite and graphene may be formed.

종래에는 그라파이트(Graphite)를 물리/화학적으로 분리하여 그라핀(graphene)을 제작한 후 코팅에 첨가하는 방식으로 탄소 코팅층을 형성한 반면, 상기 본 발명의 저가압 밀착에 따른 탄소 코팅층 형성방법은 단일공정으로 그라파이트(graphite)로 부터 금속 표면에 직접 그래핀(graphene) 형성이 가능하다는 장점을 가진다.In the past, a carbon coating layer was formed by physically/chemically separating graphite to produce graphene and then adding it to the coating. However, the method of forming a carbon coating layer according to low pressure adhesion of the present invention is a single method. The process has the advantage of being able to form graphene directly from graphite on the metal surface.

이후 상기 탄소 코팅층이 일정한 두께가 되도록, 상기 접합된 탄소재를 절단 분리하는 공정이 추가되는 것이 바람직하다.Afterwards, it is preferable to add a process of cutting and separating the bonded carbon material so that the carbon coating layer has a constant thickness.

다음으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 금속기판과 상기 탄소재인 그라파이트(graphite)를 0.01 내지 1 MPa으로 상대적인 저가압으로 밀착시킬 경우, 상기 탄소재와 상기 금속기판 간 상호확산(Interface reaction) 반응이 이루어지고, 상기 탄소 코팅층은 상기 금속기판으로부터 카바이드 리치(carbide rich)층이 형성되고 그 위에 그래핀 또는 그래핀 나노플레이트(graphene nanoplatelet)와 그라파이트(graphite)를 포함하는 층이 형성될 수 있다. 상기 본 발명의 고가압 밀착에 따른 탄소 코팅층 형성방법은 별도의 추가적인 탄소재 분리 공정 없이 금속 표면에 탄소 코팅층 형성이 가능하다는 장점을 가진다.Next, as shown in FIG. 2, when the metal substrate and the carbon material, graphite, are brought into close contact with a relatively low pressure of 0.01 to 1 MPa, interdiffusion (interface reaction) occurs between the carbon material and the metal substrate. A reaction occurs, and the carbon coating layer is formed from the metal substrate to a carbide-rich layer, and a layer containing graphene or graphene nanoplatelets and graphite may be formed thereon. . The method of forming a carbon coating layer according to high pressure adhesion of the present invention has the advantage of being able to form a carbon coating layer on a metal surface without an additional carbon material separation process.

본 발명에 따른 상기 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법을 이용하여 표면에 탄소 코팅층이 형성된 금속기판을 이용하여 연료전지용 세퍼레이터 및 수전해 분리용 세퍼레이터 등에 적용 가능하다.Using the method of forming a carbon coating layer on a metal substrate according to the present invention, a metal substrate with a carbon coating layer formed on the surface can be applied to a separator for fuel cells and a separator for water electrolysis separation.

실시예 1Example 1

10-5 torr 수준의 진공 챔버 내에서 스테인레스 스틸(STS 316L) 소재의 금속기재 일 단면을 그라파이트(graphite) 탄소재 일면과 접합시킨 후, 챔버 내부 온도를 1090 ℃까지 승온하고 상기 금속기재와 탄소재를 10 MPa 압력으로 상호 밀착시킨 상태를 120분 간 유지하였고, 이후 상기 탄소재를 물리적으로 분리시켜 탄소 코팅층이 형성된 금속기판을 제조하였다.After bonding one side of a metal substrate made of stainless steel (STS 316L) to one side of a graphite carbon material in a vacuum chamber at a level of 10 -5 torr, the temperature inside the chamber is raised to 1090 ℃, and the metal substrate and the carbon material are bonded together. were kept in close contact with each other at a pressure of 10 MPa for 120 minutes, and then the carbon materials were physically separated to prepare a metal substrate with a carbon coating layer.

도 4는 상기 금속기재에 형성된 코팅층 단면의 확대한 사진이며, 금속 기재 위로부터 카바이드 리치(carbide rich)층 및 그라파이트(graphite)층이 형성됨을 확인할 수 있었다.Figure 4 is an enlarged photograph of the cross-section of the coating layer formed on the metal substrate, and it was confirmed that a carbide rich layer and a graphite layer were formed on the metal substrate.

실시예 2Example 2

10-5 torr 수준의 진공 챔버 내에서 스테인레스 스틸(STS 316L) 소재의 금속기재 일 단면을 그라파이트(graphite) 탄소재 일면과 접합시킨 후, 챔버 내부 온도를 1048 ℃까지 승온하고 상기 금속기재와 탄소재를 0.1 MPa 압력으로 상호 밀착시킨 상태를 180분 간 유지하였고, 이후 상기 탄소재를 분리시켜 탄소 코팅층을 형성된 금속기재을 제조하였다.After bonding one side of a metal substrate made of stainless steel (STS 316L) to one side of a graphite carbon material in a vacuum chamber at a level of 10 -5 torr, the temperature inside the chamber is raised to 1048 ℃, and the metal substrate and the carbon material are bonded together. were maintained in close contact with each other at a pressure of 0.1 MPa for 180 minutes, and then the carbon material was separated to prepare a metal substrate with a carbon coating layer.

도 5는 상기 금속기재에 형성된 코팅층 단면의 확대한 사진이며, 마찬가지로 금속 기재 위로부터 카바이드 리치(carbide rich)층이 형성됨을 확인할 수 있었으며, 그 위에 존재하는 코팅층은 도 6의 XRD 분석 결과 그래프를 통해 graphite 및 graphene nanoplatelet(GNP)가 생성됨을 확인할 수 있었다.Figure 5 is an enlarged photograph of the cross-section of the coating layer formed on the metal substrate. Likewise, it was confirmed that a carbide rich layer was formed on the metal substrate, and the coating layer existing thereon was confirmed through the XRD analysis result graph in Figure 6. It was confirmed that graphite and graphene nanoplatelets (GNPs) were produced.

내식성 실험Corrosion resistance test

상기 실시예 1 및 실시예 2에 의해 제조된 스테인레스 스틸(STS 316L) 소재의 금속기재와, 코팅처리를 하지 않은 스테인레스 스틸(STS 316L) 소재의 금속기재의 내식성을 평가하기 위하여, 200도 인산 침지 시간에 따른 모재 감육(penetration) 깊이를 측정하였고, 그 결과는 도 7과 같다. 이를 통해 본 발명에 따라 탄소 코팅층을 형성한 금속기재의 내식성이 월등히 우수함을 알 수 있었으며, 그에 따라 본 발명에 따른 금속기판은 고온의 부식성 환경에 노출되는 연료전지 분리판, 전극 등에 충분히 적용할 수 있음을 확인하였다.In order to evaluate the corrosion resistance of the stainless steel (STS 316L) metal base manufactured in Examples 1 and 2 and the uncoated stainless steel (STS 316L) metal base, they were immersed in phosphoric acid at 200 degrees. The depth of base material thinning over time was measured, and the results are shown in Figure 7. Through this, it was found that the corrosion resistance of the metal substrate on which the carbon coating layer was formed according to the present invention was significantly superior. Accordingly, the metal substrate according to the present invention can be sufficiently applied to fuel cell separators and electrodes exposed to a high temperature and corrosive environment. It was confirmed that it exists.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다. 또한, 청구항 부호는 이해를 돕기 위한 것일 뿐 본 발명의 형상과 구조를 첨부된 도면에 한정한다는 뜻이 아니다.Although the present invention has been described with the accompanying drawings, this is only one example among various embodiments including the gist of the present invention, and is intended to enable those skilled in the art to easily implement the present invention. For this purpose, it is clear that the present invention is not limited to the embodiments described above. Therefore, the scope of protection of the present invention should be construed in accordance with the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope by changes, substitutions, substitutions, etc. without departing from the gist of the present invention are the rights of the present invention. will be included in the scope. In addition, it should be clarified that some of the configurations in the drawings are provided in an exaggerated or reduced form than the actual figure for the purpose of explaining the configuration more clearly. In addition, the claim symbols are only for aiding understanding and do not mean that the shape and structure of the present invention is limited to the attached drawings.

Claims (12)

챔버 내부에서 금속기판과 일정 단면적을 가지는 탄소재를 접합시켜 접합면을 형성하는 단계;
상기 챔버 내부가 진공 분위기 및 600 내지 1200 ℃인 상태에서, 상기 금속기판과 상기 탄소재를 밀착 가압하여 상기 접합면에 탄소 코팅층을 형성시키는 단계; 및
상기 탄소재를 상기 탄소 코팅층으로부터 분리시키는 단계;
를 포함하는, 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법.
Forming a bonding surface by bonding a metal substrate and a carbon material having a certain cross-sectional area inside the chamber;
Forming a carbon coating layer on the joint surface by closely pressing the metal substrate and the carbon material in a vacuum atmosphere and 600 to 1200° C. inside the chamber; and
separating the carbon material from the carbon coating layer;
Method for forming a carbon coating layer on a metal substrate, including.
제1항에 있어서,
상기 금속기판은 크롬(Cr) 첨가 합금, 스테인레스 강, 탄소강 또는 비철금속 소재인, 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법.
According to paragraph 1,
A method of forming a carbon coating layer on a metal substrate, wherein the metal substrate is a chromium (Cr)-added alloy, stainless steel, carbon steel, or non-ferrous metal.
제1항에 있어서,
상기 탄소재는 그라파이트(graphite) 또는 그래핀(graphene)인, 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법.
According to paragraph 1,
A method of forming a carbon coating layer on a metal substrate, wherein the carbon material is graphite or graphene.
제1항에 있어서,
상기 금속기판과 상기 탄소재를 0.01 내지 150 MPa으로 밀착 가압하는, 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법.
According to paragraph 1,
A method of forming a carbon coating layer on a metal substrate, wherein the metal substrate and the carbon material are closely pressed to 0.01 to 150 MPa.
제1항에 있어서,
상기 탄소 코팅층은 카바이드 리치(carbide rich)층을 포함하는, 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법.
According to paragraph 1,
A method of forming a carbon coating layer on a metal substrate, wherein the carbon coating layer includes a carbide rich layer.
제1항에 있어서,
상기 금속기판과 상기 탄소재를 1 내지 150 MPa으로 밀착 가압하여, 상기 탄소재와 상기 금속기판 간 확산접합에 의해 상기 탄소 코팅층이 형성되는, 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법.
According to paragraph 1,
A method of forming a carbon coating layer on a metal substrate, wherein the metal substrate and the carbon material are closely pressed to 1 to 150 MPa, and the carbon coating layer is formed by diffusion bonding between the carbon material and the metal substrate.
제1항에 있어서,
상기 금속기판과 상기 탄소재를 0.01 내지 1MPa으로 밀착 가압하여 상기 탄소재와 상기 금속기판 간 상호확산에 의해 상기 탄소 코팅층이 형성되는, 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법.
According to paragraph 1,
A method of forming a carbon coating layer on a metal substrate, wherein the carbon coating layer is formed by mutual diffusion between the carbon material and the metal substrate by closely pressing the metal substrate and the carbon material to 0.01 to 1 MPa.
제7항에 있어서,
상기 코팅층은 그래핀(graphene), 그래핀 나노플레이트(graphene nanoplatelet) 또는 그라파이트(graphite)를 포함하는, 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법.
In clause 7,
A method of forming a carbon coating layer on a metal substrate, wherein the coating layer includes graphene, graphene nanoplatelets, or graphite.
제1항에 있어서,
상기 탄소 코팅층의 두께는 0.005 내지 1,500 μm인, 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법.
According to paragraph 1,
A method of forming a carbon coating layer on a metal substrate, wherein the carbon coating layer has a thickness of 0.005 to 1,500 μm.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법을 이용하여 표면에 탄소 코팅층이 형성된 금속기판에 있어서,
상기 탄소 코팅층은 카바이드 리치(carbide rich)층을 포함하며,
상기 금속기판은 크롬(Cr) 첨가 합금, 스테인레스 강, 탄소강 또는 비철금속 소재인. 금속기판.
In a metal substrate on which a carbon coating layer is formed on the surface using the method for forming a carbon coating layer on a metal substrate according to any one of claims 1 to 9,
The carbon coating layer includes a carbide rich layer,
The metal substrate is made of chromium (Cr)-added alloy, stainless steel, carbon steel, or non-ferrous metal. Metal substrate.
제10항에 따른 금속기판을 포함하는 연료전지용 세퍼레이터.
A separator for a fuel cell comprising the metal substrate according to claim 10.
제10항에 따른 금속기판을 포함하는 수전해 분리용 세퍼레이터.A separator for water electrolysis separation comprising the metal substrate according to claim 10.
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