1. 서 론

전기 접점 재료(electrical contact material)는 회로의 개 폐 및 접촉이 기계적으로 행해지는 소자에 적용되며, 통신 기기, 전기 전자 기기, 자동차 등의 산업 분야에서 스위치, 릴레이, 차단기 및 전기전자 개폐기 등 부품에 이용되는 중요한 핵심 소재들 중 하나이다[1]. 이러한 전기 접점 재 료는 회로의 개폐 및 접촉 시 발생하는 아크열에 의한 손 상을 최소화 하기 위해 우수한 전기 전도도, 열 전도도 및 내구성이 요구된다[2]. 한편 전기 접점 재료 중 하나인 Ag-M(O)/Ag계 소재는 약 전류용에서 중 전류용까지 넓은 사용 범위를 가질 수 있다[3].

전기 접점 재료를 부품화 하기 위해서는 실제 접촉 부 위인 Ag-M(O)/Ag 하부에 성형성(formability) 및 유동성 (flowability)이 우수한 BCuP-5(Cu-15Ag-5P) filler 금속과 기판(substrate)을 순차적으로 배치시켜 Ag-M(O)/Ag/ BCuP-5/기판 구조의 다층(multi-layer) 클래드 부품/소재가 제조되어야 한다. 현재까지 Ag 하부에 B CuP-5를 접합시 키기 위해서는 퓨전 본딩(fusion bonding) 및 롤 본딩(roll bonding) 공정들이 주로 이용되고 있다[4,5]. 그러나 상기 방법들을 사용할 경우, 많은 양의 Ag 손실을 유발되어 제 조 단가 상승을 야기할 뿐만 아니라 모재층과 B CuP-5 층 사이에 불균일한 계면이 형성되어 사용 수명 단축이 발생 할 수 있다[6,7].

High Velocity Oxygen Fuel(HVOF) 공정은, 용사 코팅 공정(thermal spray coating process) 중 하나로, 고온에서 순간적으로 용융된 분말을 고압, 고속으로 모재에 분사하 여 넓은 범위 두께의 코팅층을 형성시킬 수 있다[8]. HVOF 공정은 금속(metal), 세라믹(ceramic), 고분자(polymer), 써멧(cermet) 등 다양한 소재를 원료로 하여 코팅층 을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 모재와 코팅층 사이에 균 일한 접합 계면을 형성시키고, 기공(pore), 산화물 등의 결 함이 적은 건전한 코팅층 제조가 용이하다는 장점이 있다 [9,10]. 이러한 장점들 덕분에 HVOF 용사 코팅 공정은 우주 항공, 석유화학, 자동차용 각종 부품들의 내마모성, 내부식성 및 열전도도 등을 향상시키기 위한 목적으로 널 리 적용되어 왔으며 산업적 활용도가 높은 공정이다[11].

본 연구에서는 기존 전기 접점 소재의 제조와 관련한 신 제조 공정을 제시하고자 하였다. 이를 위해 새롭게 HVOF 공정을 이용하여 Ag 판재 위에 얇고 균일한 BCuP-5를 적 층시켜 A g/BCuP-5 구조의 다층(multi-layer) 클래드 소재 를 제조하고자 시도하였으며, 제조된 BCuP-5 코팅층에 대 한 미세조직 및 거시적 특성들을 평가하였다. 또한 상기 결과를 바탕으로 HVOF를 이용한 스위칭 소자용 다층 클 래딩 소재의 제조 가능성을 검토하고자 하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 ‘Sun Kwang brazing filler metal’ 사에서 제조한 B CuP-5 분말을 이용하였다. BCuP-5 분말의 크기 분포는 입자 크기 분석기(masterisizer-2000)를 사용하여 정량화 하였으며, 분말의 조성을 확인하기 위해서 XRF (X-ray Fluorescence Spectrometer, XSZ Primus II) 장비를 사용하였다.

초기 분말을 이용하여 B CuP-5 코팅층을 형성시키기 위 해 수 차례의 선행 실험을 실시하였다. 이를 바탕으로 가 장 적절하다고 판단되는 HVOF 공정 조건을 선정하였으 며, 선정된 최적 공정 변수들은 Table 1에 제시하였다. BCuP-5를 적층시키기 위해 사용한 HVOF(high velocity oxygen fuel) 장비는 TAFA사의 JP-8000 이며, Ag 판재를 모재로 사용하였다.

Table 1

Process parameters for manufacturing HVOF BCuP-5 coating layer

BCuP-5 초기 분말들 및 HVOF 공정으로 적층된 BCuP- 5 코팅층(HVOF BCuP-5)의 미세조직 및 단면을 관찰하기 위해 SiC 연마지(#400~#2000)를 사용하여 연마한 후 최종 적으로 1 μm 수준으로 경면 연마(mirror polishing)를 수행 하였다. 초기 미세조직 및 상 분석은 SEM(scanning electron microscope, VEGA II LMU), EDS(energy dispersive spectroscopy), XRD(X-ray diffraction, Rigaku KRD Ultima IV), EBSD(electron backscatter diffraction, MYRA 3XMH) 및 TG-DTA(thermal analysis system, Rigaku TG-DTA 8122, heating rate: 10°C/min)를 이용하여 수행하였다. 제조된 BCuP-5 코팅층의 기공도(porosity)를 측정하고자 이미지 분석기(image analyzer)를 사용하여 20회 측정한 후 평균 값을 사용하였다.

HVOF BCuP-5 코팅층의 경도를 측정하기 위해 미소 비 커스 경도 측정 장비(micro Vicker’s hardness tester, HMV-2) 를 사용하였다. 코팅층의 경도 측정은 코팅층의 단면에서 실시하였다. 이때 부여 하중은 0.5 Kgf로 설정하였으며 총 12회 측정한 후 평균 값을 구하여 사용하였다. Ag 판재와 HVOF BCuP-5 코팅층의 접합 강도를 평가하기 위해서, stud-pull test를 수행하였다. stud-pull test를 위해, 먼저 열 경화 epoxy adhesive를 사용하여 stud pin을 코팅층 표면 에 고정시킨 뒤 충분한 curing을 위하여 150°C에서 70분 동안 열처리를 수행하였다. 그 후 코팅 밀착력 시험 장치 (stud-pull tester, Sebastian 4)를 사용하여 5회 측정한 후 평균 값을 구하였다. 추가적으로 stud-pull 시험 중 생성된 균열의 위치를 알아보고자 접합 강도 측정 후 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope, MYRA 3 XMH)을 이용해 단면을 관찰하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 1에 본 연구에서 사용한 B CuP-5 초기 분말들의 분 석 결과를 도시하였다. Fig. 1(a)의 SEM image에서 관찰 되는 바와 같이, BCuP-5 분말들은 표면 상태가 깨끗한 약 20 μm 수준의 구형 분말로 확인되었다. 보다 정확한 입도 분포를 파악하기 위해, 입자 크기 분석기를 사용하여 입자 크기를 측정한 결과, 분말의 입도 분포는 D₁₀ = 11.171 μm, D₅₀= 21.472 μm, D₉₀= 40.031 μm를 나타내었다. BCuP- 5 분말들에 대한 XRD 분석 결과(Fig. 1(c)), 본 연구에서 사용된 B CuP-5 분말은 Cu, Ag 그리고 Cu₃P상들로 구성 되어 있었다.

Fig. 1

Characteristics of BCuP-5 powder feedstock used in this study; (a) morphology, (b) XRD analysis result.

Fig. 2는 초기 합금 분말들의 내부 미세조직을 관찰한 사진이다. 여기에서 Fig. 2(a)는 분말의 단면을 E B SD로 관찰한 뒤 IPF(Inverse Pole Figure) map으로 나타낸 것이 다. Fig. 2(a)를 통해 본 연구에서 사용된 분말 내부의 평 균 결정립 크기(average grain size)는 3.2 μm임을 알 수 있 었다. 분말의 미세조직을 저배율로 관찰한 결과(Fig. 2(b)), 초기 분말은 기본 기지 상(밝은 회색 영역)과 수지상 (dendrite) 형상의 상(어두운 회색 영역)의 크게 두 가지 상 들(2-phase)이 나타났다. 이와 함께 분말의 단면을 고배율 로 관찰한 결과를 통해 수지상 내부에는 수백 nm 수준의 밝은 입자들(white particles)가 함께 존재하는 것을 확인할 수 있었다. EDS 분석 결과와 XRD 분석 결과 및 기존에 보고된 결과들을 바탕으로 본 연구에서 사용된 분말들은 기지 영역은 Cu-Ag-Cu₃P ternary 조직으로, 수지상 형상의 상은 Cu 상으로, 수 백 nm 수준의 입자들은 Ag 상으로 해석될 수 있었다[4,12].

Fig. 2

Microstructures and analysis results of BCuP-5 powders; (a) EBSD inverse pole figure map, and (b) SEM image (low magnification), (c) SEM image (high magnification).

HVOF 장비로 제조된 가로 × 세로 × 높이가 29 cm × 13 cm × 0.3 cm 크기의 BCuP-5/Ag 코팅층의 형상을 Fig. 3에 나타냈다. 제조된 BCuP-5 코팅층의 표면 거칠기(roughness) 를 확인하고자 surface roughness tester, SJ-310를 사용하 여 총 3회 거칠기 측정 후 그 평균 값을 구하였다. 얻어진 HVOF BCuP-5 코팅층의 표면 거칠기는 평균 3.2 μm 수준 으로 측정되었다. 상기 결과를 통해 Ag 판재 위에 적층된 대면적 HVOF BCuP-5코팅층이 균일하고 건전하게 제조 되었음을 알 수 있었다.

Fig. 3

Macro image of BCuP-5 coating layer on Ag plate by using HVOF process.

Fig. 4는 제조된 코팅층의 표면 및 단면을 분석한 결과 이다. 코팅층의 표면을 XRD로 분석한 결과(Fig. 4(a)), HVOF BCuP-5 코팅층은 초기 분말과 같이 Cu, Ag 그리 고 Cu3P상들로 구성되어 있었다. 코팅층의 단면 관찰 결 과(Fig. 4(b))에서는 HVOF BCuP-5의 평균 두께가 42.9 μm로 측정되었다. 또한 코팅층 내부에서 라멜라 계면에서 의 기공(inter lamellar pore)은 거의 관찰되지 않았다. 이를 통해 BCuP-5 분말은 용사 코팅 공정 중, 모재에 적층되기 전에 충분히 용융되었음을 알 수 있었다. 추가적으로 이미 지 분석기(image analyze)를 이용하여 코팅층 내부의 기공 도(porosity, %)를 측정하였다. 그 결과, HVOF BCuP-5 코 팅층의 내부 기공도는 평균 0.38%로 얻어졌으며 코팅층 은 치밀하게 제조된 것으로 판단된다.

Fig. 4

(a) XRD analysis result, and (b) cross-sectional observation result of BCuP-5 coating layer.

HVOF BCuP-5 코팅층의 미세조직을 관찰하고자 시편 을 에칭한 후 SEM-EDS 분석을 수행하였으며 그 결과를 Fig. 5에 제시하였다. 먼저 저배율로 관찰한 결과에서 코 팅층은 상대적으로 밝은 영역과 상대적으로 어두운 영역 이 교대로 나타나는 lamellar structure를 이루고 있었다. 코팅층을 고배율로 관찰한 결과에서는, 일부 영역에서 수 μm 수준의 흰 영역(더 밝은)이 추가적으로 관찰되었다. 각 각의 영역에 대한 EDS 분석 결과와 기존에 보고된 결과 들을 바탕으로 상대적으로 밝은 영역은 Cu-Ag-Cu₃P ternary eutectic 상들임을, 상대적으로 어두운 영역은 Cu 상임을, 그리고 흰 영역은 Ag 상으로 해석될 수 있었다. 또한 HVOF 공정을 이용하여 Ag 모재 위에 BCuP-5 분말 을 적층시키는 경우 공정 중 분말에서와는 다른 추가적인 상은 생성되지 않았음을 알 수 있었다.

Fig. 5

SEM/EDS microstructures of HVOF BCuP-5 coating layer; (a) low magnification, and (b) high magnification.

초기 분말과 HVOF B CuP-5 코팅층의 미세조직적 차이 를 알아보고자 각각의 소재에 대한 열 분석을 실시하였으 며, 그 결과를 Fig. 6에 나타냈다. 여기에서 초기 분말은 약 642.2°C에서부터, HVOF BCuP-5 코팅층은 약 642.7°C 에서부터 용융(melting)이 시작되었다. 일반적으로 B CuP- 5 합금은 상온에서 약 640°C 까지는 Cu 상, Ag 상 그리 고 Cu₃P 상이 유지되며, 640°C 이상의 온도에서는 Cu₃P이 용융되며 상 변태가 일어난다고 보고된 바 있다[13]. 상기 결과를 통해 HVOF의 고압, 고속으로 분말을 분사하여 생 성된 B CuP-5 코팅층은 기존 B CuP-5 합금 및 본 연구의 BCuP-5 초기 분말과 동일한 상으로 이루어져 있었고 유 사한 상 변태 거동을 나타냈다.

Fig. 6

TG/DTA analysis results of (a) BCuP-5 powder feedstock, and (b) HVOF BCuP-5 coating layer.

분말의 크기 및 형상 그리고 제조 공정 조건 등은 HVOF 공정으로 제조되는 코팅층의 기공도, 경도 값 및 접합 특성에 영향을 미친다고 알려져 있다[11]. 본 연구에 서 원료 분말 및 HVOF BCuP-5 코팅층의 경도 값들을 측 정한 결과 각각 평균 102.1 Hv(분말), 154.6 Hv(코팅층)로 얻어졌다. 관련하여 일반 주조 공정으로 제조되는 B CuP- 5합금의 경도 값은 약 71.0 Hv로 보고된 바 있다[14]. 즉, HVOF BCuP-5의 경도 값은 BCuP-5 분말과 및 기존 공정 으로 제조된 B CuP-5 합금에 비해 높았다. 이러한 HVOF BCuP-5 코팅층의 높은 경도 값은 적정 공정 조건 제어에 의해 치밀한 코팅층이 제조되었고 HVOF 공정의 특징 중 하나인 높은 냉각 속도에 의해 더 미세한 조직이 얻어졌 기 때문으로 사료된다[15,16].

Ag 모재와 HVOF BCuP-5 layer 사이의 접합 특성을 평 가한 결과, Ag/BCuP-5의 평균 접합 강도는 21.6MPa로 측정되었다. Fig. 7(a)는 스터드 풀 시험(stud-pull test) 후 시편 표면을 SEM-EDS로 관찰한 결과이다. 여기에서 스 터드 풀이 부착되어 있었던 대부분의 영역에서는 BCuP-5 의 형성 원소인 Cu, Ag 및 P와 함께 C(bond)이 높은 농 도로 검출되었다. 이를 통해 스터드 핀이 분리(pull out)된 후에도, BCuP-5 코팅층은 Ag 모재 위에 여전히 일부가 접합되어 있음을 예상할 수 있었다. 분리된 시편의 단면을 관찰한 결과(Fig. 7(b)), 스터드 풀 시험 후에도 대부분의 영역에서는 BCuP-5 코팅층과 Ag 모재가 접합되어 있었다. 일반적으로 상용 전기 접점 재료의 접합 강도가 20~30 MPa 수준으로 보고되고 있음을 고려하였을 때[7,17], HVOF 공정을 이용할 경우 보다 더 높은 접합 강도를 가 지는 건전한 다층 클래드 전기 접점 소재의 제조가 가능 함을 알 수 있었다.

Fig. 7

SEM/EDS observation results of the specimen after stud-pull test; (a) surface image, and (b) cross-section image.

4. 결 론

본 연구에서는 HVOF 공정을 이용하여 Ag 판재 위에 얇고 치밀한 B CuP-5 코팅층을 제조하였다. 이 후 제조된 소재의 미세조직 및 거시적 특성을 분석하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 미세조직 관찰 및 상 분석 결과, BCuP-5 초기 분말과 제조된 HVOF BCuP-5 코팅층 모두가 Cu, Ag 그리고 Cu + Ag + Cu₃P ternary eutectic 상들로 이루어져 있었다. 제조된 코팅층의 평균 두께는 약 34.8 μm로 나타났으며 표면 거칠기는 평균 3.2 μm 수준으로 측정되었다. 또한 코 팅층 내부의 기공도는 약 0.38 %로 확인되어 얇고 치밀한 BCuP-5 코팅층의 형성이 가능함을 확인할 수 있었다.

2. BCuP-5 초기 분말 및 제조된 코팅층의 경도들은 각 각 102.1 Hv와 154.6 Hv로 얻어졌다. 이는 기존 보고된 이 합금의 경도 보다 높은 수준이었으며, 이와 같은 HVOF BCuP-5 코팅층의 높은 경도는 분말이 고속으로 모재에 적 층 되며 용융 후 응고 시 높은 냉각 속도가 부여되는 HVOF 공정의 특징에 기인하는 것으로 설명될 수 있었다.

3. Ag 모재와 HVOF BCuP-5 코팅층 사이의 접합 강도 테스트 결과 21.6 MPa의 접합 강도가 얻어졌다. 접합 강 도 테스트 후에도 대부분의 영역에서는 Ag 모재와 BCuP- 5 코팅층이 온전히 접합되어 있음을 확인할 수 있었다. 이 를 통해 HVOF를 이용하여 더 높은 접합 강도를 가지는 스위칭 소자용 다층 클래딩 소재의 제조가 가능함을 제시 할 수 있었다.

Acknowledgements

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부의 첨단 신소재 기반 3D 프린 팅 전문인력양성 사업(P0002007)의 지원으로 수행되었으 며 이에 감사드립니다.

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Figure & Data

References

Citations

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