초저 Pt 적재를 위한 고내식·고전도 Ti‑Nb‑O 코팅 기술

초록

본 연구는 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링(HiPIMS)으로 200 nm 두께의 Ti‑Nb‑O 복합 코팅을 스테인리스강(SS316L)에 증착하고, 산소 분압 및 Nb/Ti 비율을 정밀 제어해 전기저항을 10⁻⁴ Ω·cm 수준으로 낮추면서 부식 전류밀도 0.01–0.08 µA·cm⁻²를 달성하였다. 최적 코팅은 가속 부식 시험 후에도 DOE가 제시한 ICR < 10 mΩ·cm² 목표를 만족했으며, Pt 얇은 층(5 nm)만으로도 충분한 전도성을 확보해 기존 대비 Pt 사용량을 100배 이상 감소시켰다.

상세 분석

본 논문은 PEM 전해조용 양극·음극 부품인 양극판(BPP)과 다공성 전송층(PTL)의 비용 절감을 목표로, 금속 기반 부품에 적용 가능한 초저 Pt 적재를 위한 전도성·내식성 Ti‑Nb‑O 코팅을 개발하였다. 코팅은 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링(HiPIMS)으로 200 nm 두께의 이중층(bilayer) 구조로 설계되었으며, 하부 100 nm는 순수 Ar 분위기에서 부착층으로 증착해 기판과의 접착 및 전기적 연속성을 확보하고, 상부 100 nm는 O₂ 분압(p_Ox = 0, 3, 5, 8 mPa)을 조절해 산화물 조성을 미세하게 튜닝하였다. Nb 함량은 타깃 내 Nb 스트립과의 상대 위치(14단계)로 제어했으며, 이는 Nb/Ti 비율을 00.5 사이로 변동시켜 전도성 및 부식 저항에 직접적인 영향을 미쳤다.

구조 분석을 위해 XRD와 WDS를 활용했으며, Nb 도핑이 증가할수록 Ti‑O 격자에 Nb⁵⁺가 치환되어 전자 농도가 상승하고, 적절한 p_Ox(특히 3–5 mPa)에서는 비정질·미세결정 혼합 구조가 형성돼 전하 이동 경로가 연속적이면서도 산화막의 밀도가 높아 부식 전류를 현저히 낮출 수 있었다. 전기저항은 4‑포인트 프로브 측정으로 10⁻⁴ Ω·cm 수준을 기록했으며, 이는 기존 TiN·Au·Pt 코팅 대비 1‑2 오더의 개선이다.

전해질(5 ppm NaF 함유 0.5 M H₂SO₄, 60 °C)에서 가속 부식 테스트(전류·전압 사이클) 후에도 J_corr는 0.01–0.08 µA·cm⁻²로 DOE 2026 목표(≤0.1 µA·cm⁻²)를 충분히 만족했다. ICR 측정은 금도금 전극·탄소 GDL 사이에 코팅된 BPP를 배치하고, 1 A 전류와 0.3–2 MPa 압력 범위에서 전압을 기록해 계산하였다. Pt 5 nm 오버레이만을 추가했을 때, 가속 부식 전후 ICR이 각각 9.8 mΩ·cm²와 10.2 mΩ·cm²(압력 1 MPa 기준)로 DOE 기준(<10 mΩ·cm²)을 충족했다. 이는 기존 200 nm 이상 Pt 또는 Au 코팅에 비해 Pt 사용량을 100배 이상 절감한 결과이다.

핵심 인사이트는 (1) Nb 도핑이 Ti‑O 계열 산화물의 전도성을 크게 향상시키면서도 부식 저항을 유지한다는 점, (2) p_Ox를 정밀 제어함으로써 비정질·결정성 혼합 구조를 구현해 전하 전달과 부식 방어를 동시에 달성한다는 점, (3) 얇은 Pt 층(5 nm)만으로도 충분한 전기적 접촉을 확보할 수 있어 비용 효율적인 전해조 설계가 가능하다는 점이다. 향후 연구에서는 실제 다공성 PTL 구조에 코팅을 적용하고, 내부 미처리(예: Ti 전기도금)와 결합해 전체 스택 내 금속 이온 누출을 억제하는 방안을 검증해야 한다.