분말압축 및 소결법에 의한 분산강화형 Ag-SnO2 접점소재 제조기술 … ·...

분말압축 및 소결법에 의한 분산강화형

Ag-SnO2 접점소재 제조기술 지원

2005. 10.

지원기관 : 한국생산기술연구원

지원기업 : 유 창 금 속 공 업(주)

산 업 자 원 부

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[별지 제9호 서식]

관리번호:

종합기술지원사업 기술지원성과보고서

사 업 명분말압축 및 소결법에 의한 분산강호형 Ag-SnO 접점소재 소재

제조기술 지원

지원책임자소속 : 한국생산기술연구원

성명 : 조 훈지원기간

2004. 8. 1 .부터

2005. 7.31 .까지

사업비 규모

총 300백만원

지원기관의

참여연구원

조 훈

조형호

최한신

이진규

정 부 출 연 금 : 150백만원

기업부담금현금 : 90백만원

현물 : 60백만원

부품ㆍ소재종합기술지원사업운영요령 제18조의 규정에 의해 종합기술지원사업

수행에 대한 기술지원성과보고서를 제출합니다.

첨 부 : 기술지원성과보고서 5부

2005년 10월 일

(작성자) 지 원 책 임 자 : 조 훈

(지원기관장) 한국생산기술연구원장 : 김 기협

(확인자) 유창금속공업(주) : 이 채권

부품ㆍ소재통합연구단장 귀하

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제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀하

본 보고서를 “분말압축 및 소결법에 의한 분산강화형 Ag-SnO₂접점소재 제조기술

지원”(지원기간 : 2004. 8. 1 ~ 2005. 7. 31)과제의 기술지원성과보고서로 제출합

니다.

2005. 10. .

지원기관 : 한국생산기술연구원

(대표자) 김 기 협

지원기업 : 유창금속공업(주)

(대표자) 이 채 권

지원책임자 : 조 훈

참여연구원 : 조 형호(한국생산기술연구원)

ʺ : 최 한신(한국생산기술연구원)

ʺ : 이 진규(한국생산기술연구원)

ʺ : 신 학수(유창금속공업(주))

ʺ : 이 면학(유창금속공업(주))

ʺ : 양 동석(유창금속공업(주))

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기술지원성과 요약서

1. 사업목표

1. Ag-SnO₂-MOx(3원 또는 4원)계 접접소재 개발지원

2. Ag-SnO₂-MOx/Ag계 접접소재 제조 기술지원

3. Ag-SnO₂-MOx/Ag계 접접소재의 요구특성 측정 및 평가기술 지원

2. 기술지원내용 및 범위


① Ag-CdO계의 대체접점으로써 동등수준이상의 제요구특성에 근접할 수 있도

록 최적의 제3 및 제4 첨가산화물 설계기술지원

② Ag-SnO₂-MOx계의 각 단량체의 최적의 분말입도 조건확립 기술지원


① Ag-SnO₂-MOx계 분말압축서형 기술지원

② Ag-SnO₂-MOx계 분말과 Ag 분말의 압축성형 기술지원

③ Ag-SnO₂-MOx/Ag계 접점소재의 최적의 소결조건확립 기술지원

④ Ag-SnO₂-MOx계 접점소재의 균질화, 구상화 및 미세화(5㎛이하) 조건확립

기술지원

⑤ Ag-SnO₂-MOx계 접점소재의 표면산화 제어조건확립 기술지원


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3. 지원실적

지원항목지원내용 비

고기술지원前 기술지원後

접점소재 개발지원

○ 경도

: Hv 110

○ 산화물 입도

: 5㎛

○ 인장강도

: 230MPa 이하

○ 연신율

: 25% 이하

○ 경도

: Hv 115

○ 산화물 입도

: 1~5㎛

○ 인장강도

: 240MPa 이하

○ 연신율

: 30% 이하

접점소재 제조기술

○ 내용착율

:10⁵회/40A

○ 접촉저항

: 0.023 Ωmm²/m

○ 내용착율

:10⁶회/40A

○ 접촉저항

: 0.022 Ωmm²/m

접점소재의 요구특성

측정 및 평가기술

○ 전기전도도(IACS)

: 70%

○ 밀도

: 10 g/cm³

○ 전기전도도(IACS)

: 70~73%

○ 밀도

: 9.6 g/cm³

※ 1. 지원항목 : 2번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별

로 구분하여 기재

2. 지원내용 : 지원항목별로 기술지원前 ․ 後 상황을 비교하여 기재

4. 기술지원 성과 및 효과

1) 해당기술 적용제품

○ 적용제품명 : 중전류(30~50A)용 전기접점 소재

○ 모 델 명 :

2) 품질 및 가격

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품 비 고

(경쟁사)지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질

MC25 및 MC40

전무 동등이상 독일 : Degussa,

Heraeus

일본 : Tanaka,

S u m i t o m o ,

Maruzen

경쟁제품 대비 가격 전무가격경쟁력

확보

※ 객관화 된 DATA를 근거로 작성

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3) 원가절감 효과

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 112백만원/년( 4.5 %) 불량률 감소

인건비 절감 45백만원/년( 40 %) 5명 → 3명

계 157백만원/년( %)

※ 공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

4) 적용제품 시장전망(매출성과)

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 16억원(AgCdO) 50억이상 300%이상

수 출 - 10억이상 1000%이상

계 16억원 60억이상 300%이상

참고) 1. 적용제품 주요수출국 : 독일의 Degussa, Heraeus 및 일본의 Tanaka,

Sumitomo, Maruzen

2. 작성당시 환율기준 : 1,100원

5) 수입대체효과

○ 외국업체에서 생산된 제품을 수입하여 사용하는 경우의 시장규모

- 접점소재 및 접점기기 형태로 수입되고 있으나 그 규모는 파악 불능.

- 다만 약전 및 중전류의 전기접점재인 AgCdO의 대체재인 AgSnO2의 시장규모는

2004년 현재 약 500~600억원이상으로 추산된다

○ 수입산 대비 30%이상의 가격경쟁력을 확보하였으므로 추후 독일의 Degussa,

Heraeus 및 일본의 Tanaka, Sumitomo, Maruzen등 수입경쟁사 제품의 수입대체

기대

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6. 세부지원실적

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 6건

시제품제작 20건

양산화개발 건

공정개선 건

품질향상 건

시험분석 3건

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건

기술마케팅/경영자문 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 3건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건

기 타 건

7. 종합의견

전세계적으로 환경규제가 새로운 무역장벽의 일환으로 작용하고 있는 시점에서

AgCdO의 대체재인 AgSnO₂의 개발이 시급히 이루어져야 한다. 내융착성, 내

소모성 및 접촉저항등의 접점재로서의 요구특성을 만족시킬 수 있는 대체접점재

를 개발하기 위해서는 분말야금공정에 의해 SnO₂의 함량을 10%이상으로 첨가

된 소재의 제조와 분말압축 및 성형등의 부품화 공정에 대한 기술개발이 이루어

져야 하는데, 본 지원사업을 통하여 유창금속공업(주)는 Ag-15SnO₂-MOx의

분말가압성형공정에 대한 기술을 확립하였으며, 분말압출법에 의한 양산화 공정

도 동시에 개발하는 결과를 얻었다. 또한 본 지원사업에서 획득한 제반 공정기

술에 의해 향후 차세대, 고부가가치 Ag-Ni 및 Ag-Fe 전기접점재의 개발도 가능

하게 되었다.

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□ 연구과제(세부과제)성과

1. 과학기술 연구개발 성과 : 3건

□ 국제학술대회 발표

논문명 : Fabrication of Ag-SnO₂electrical contact material by powder

metallurgy ( Euromat 2005)

□ 국내학술대회 발표

논문명 : Ag 및 AgSnO2 분말을 이용한 접점재 제조 및 특성평가

(2005년 춘계 금속재료학회)

논문명 : Characteristic evaluation of the Ag-SnO2 electrical contact material

fabricated by Hot-pressing process(2005년 추계 금속재료학회)

2. 사업화 성과

□ 사업화 현황

사업화 세부사항

(9)사업

화명

(10)

사업화

내용

(11) 사업화 업체 개요 (12)

기 매출액

(백만원)

(13)

당해연도

매출액

(백만원)

(14)

매출액 합계

(백만원)업체명 대표자 종업원수사업화

형태

친환경

Ag접점

재 개발

AgCd

대체

유창금속

공업이채권 4

주11) 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 1. 연구책임자 창업, 2. 기술이전에

의한 창업, 3. 창업지원, 4. 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호

기입

□ 고용창출 효과

- 해당 없음

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□ 세부지원실적 증빙 내용

1. 기술정보제공 : 6 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004. 09. 15 AgSnO2 과제 진행방향 有

2 2005. 01. 11 시제품 평가 및 추후 진행방향 有

3 2005. 04. 06 시제품 제작 및 특성평가 일정 방안 有

4 2005. 05. 06 1차 식품 수명시험 불합격에 따른 대책 방안 有

5 2005. 05. 10 초경금형 제작 기술 지원 방안 有

6 2005. 06 28 AgSnO2 접점 2차 시제품 제작 방안 有

2. 시제품제작 : 20 건

No 일자 구체적 내용 증빙유무

1차 04.10.29

양산조건 확립을 위한 사전 실험을 위해 고주파 진공용해로

에서 Ag 10kg의 용해를 실시한 결과, Handlingwnd 오염

물질이 많아 흄이 다량 발생하였다.

有

2차 04.10.30

양산조건 확립을 위해 2차 사전실험을 실시한 결과 졍련시

간은 4시간 침산은 제거주기는 1시간으로 나타났고 0.5시

간 건조 후 약간의 알콜 냄새가 나타났다.

有

3차 04.11.01

양산조건 확립을 위한 사전 실험을 위해 1차 분말제조 실험

을 실시하였다. 실험결과 평균 분말 크기는 1㎛로 나타났고

분말형상은 각이진 구형을 나타내었다.

有

4차 04.11.08

2원합금 조성 최적화 및 소결기술 개발을 위해 Ag, SnO2

분말 사이즈에 따라서 sintering 온도를 달리하여 평가한 결

과, 온도가 높아질수록 금형이 변형되어 접점두께가 감소하

였고 750℃이상의 온도에서는 금형 및 압축핀이 팽창 변형

되어 접점재가 판과 금형사이의 간격으로 이동되는 현상이

발생하였다

有

5차 04.12.10

고순도(5N) Ag powder를 제조 및 Alloy blending test용

스랩 제조 실험을 실시하였다. 진공용해 결과 진공분위기에

서 약간의 흄이 발생하였으나 별다른 특이사항은 없었음.

진공주조는 초기 몰드입구와 도가니 간격이 일치하지 않았

으나 간격 조정후 이상이 없었다.

有

6차 04.12.11

분말제조 실험을 위한 전해정련 실험을 실시한 결과, 정련

시간은 4시간X2charge이고 침상은 제거주기가 1시간으로

나타났다. 후처리 결과 알콜 및 순수에서 각 20분 초음파

세척시 세척효과가 좋게 나타났고 1시간 건조 후 냄새는 없

어졌다.

有

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7차 04.12.13

1차실험 10조건으로 양산 조건 확립 및 1차 시제품 제작

을 실시하였다. 1차실험에서와 같이 X-powder가 크기 및

분산상태에서 가장 양호하였고 분산제와 표면처리제를 미

사용한 분말의 경우 입자 상호간에 뭉치는 현상이 있어 분

말 크기제어를 할 수 없는 것으로 판단되었다.

有

8차 04.12.16

2원합금 조성 최적화 및 소결기술 개발을 위해, 분말합금

(Ag, SnO2)의 건조온도를 변화시키고 소결시 sintering 온

도를 달리하여 접점소재의 시제품을 제작한 결과, EDS

mapping 결과 분말크기가 2~5㎛인 경우가 가장 양호한

것으로 판명되었고, 400℃에서 건조한 분말은 800℃의 경

우에서만 100~200㎛의 기공 존재하였다.

有

9차 05.02.02

2차주조조건과 동일한 조건으로 주조하여 생기원의 분말

blending test용 및 양산조건 확립을 위해 실험을 3차 스

랩 제조 실험을 실시하였다. 실험결과 진공용해의 경우 특

이사항이 없었고 표면상태는 양호하게 나타났다.

有

10차 05.02.17

생기원 분말합금 시험용 3차 전해정련 실험을 실시하였다.

정련시간은 4시간X1charge, 침상은 제거주기는 1시간으로

나타났고 후처리의 경우 알콜 및 순수에서 각 20분 초음

파 세척을 실시하였고 1시간 건조 후 냄새는 없어졌다.

有

11차 05.03.11

생산기술연구원 접점제작용 X-powder 제조 실험을 실시

하였다. 실험결과 평균 분말크기는 1㎛로 나타났고 분말형

상은 각이진 구형을 나타내었다.

有

12차 05.03.21

LS산전 시험용 및 생산기술연구원 특성평가용 시제품을

제작하기 위해 소결 시간 및 온도를 달리하여 시제품을 제

작한 결과, 소결온도가 높아질수록 합금층의 경도가 약간

높게 나타났고 기공의 크기도 100㎛이하로 감소되었다.

有

13차 05.03.28

합금층과 은층을 동시에 상온성형 및 소결함에 따른 은층

영향 실험을 실시하였다. 실험결과 분산제와 표면처리제를

정량을 분말제조시 첨가하면 접점의 변형은 물론 많은 양

의 기포가 발생하였다. 표면처리제의 첨가량을 감소시키면

기포발생이 현격히 감소하였다.

有

14차 05.05.12

4차 스랩 제조 실험을 실시하였다. 실험결과 진공용해는

특이사항이 발생하지 않았고 수축공의 크기가 거의 일정하

였고 표면상태가 양호하였다.

有

15차 05.05.13

LS산전 시제품 및 양산시제품 평가용 정련을 실시하였다.

실험결과 정련시간은 4시간X3charge, 침상은 제거주기는

1시간으로 나타났고 후처리의 경우 알콜 및 순수에서 각

20분 초음파 세척을 실시하였고 1시간 건조 후 냄새는 없

어졌다.

有

16차 05.05.16

3원계 양산 시제품 접점 제작을 위한 4차 분말제조실험을

실시하였다. 실험결과, 평균 분말크기는 1㎛로 나타났고

분말형상은 각이진 구형을 나타내었다.

有

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17차 05.05.19

3원계 LS산전 시험용 시제품 제작을 위한 합금설계 실험

을 실시하기위해 Ag, SnO2, Bi2O3 분말을 조성을 달리하

여 소결온도를 변화시켜 시제품을 제작한 결과, SnO2 및

B2O3의 분산상태가 모두 양호하였고 은 입자의 응결현상

은 많이 개선되었으나 완전 방지 불가를 확인하였다. 압축

소결 측면에서는 기포 발생이 80%이상 억제되었으나 여

전히 기포가 존재하였음

有

18차 05.05.23

합금층과 은층을 동시에 상온성형 및 소결함에 따른 은층

영향 실험을 실시하였다. 실험결과, 은층이 없는 경우 소

결온도에 상관없이 변형이 일어나지 않았고 합금층과 은층

의 비율이 9:1인 경우 800℃에서 소결시 약2%변형되었

다..

有

19차 05.05.26

3원계 LS산전 시험용 시제품 제작 및 재현성 실험을 위해

합금설계 조성을 달리하여 소결을 실시한 결과, SnO2 및

Bi2O3의 조성비가 14.5 및 1.5wt%일 경우가 물리적 특성

이 양호하였고 압축소결측면에서는 기공의 수가 감소하였

으며, 크기도 50㎛이하로 감소되었다.

有

20차 05.07.04

3원계 LS산전 시제품의 수명 시험 합격에 따른 양산 조건

확립실험을 실시하기 위해 최적의 소결조건에서 시제품을

제작하였다. EDS mapping 결과는 어느 샘플이던지 합금

분말의 분산상태가 양호하였고 합금측과 은층의 접합강도

는 소결온도가 상승할수록 증가하였으며 800℃의 온도의

경우 1시간 소결시보다 2시간 소결시 약 30%의 증가를

보였다.

有

3. 시험분석 : 7건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2005.06.22 GMC-22 시제품 특성평가 有

2 2005.06.22 GMC-40 시제품 특성평가 有

3 2005.06.22 GMC-22 시제품 특성평가 有

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목 차

제 1 장 서론

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 본론

제 1 절 기술지원 성과

1. 회사개요 및 연혁

2. 전기접점의 특성

3. 전기접점의 제조방법

4. 접점의 소성가공

5. AgSnO₂전기접점재 제조공정의 최적화

가. 분말혼합공정의 최적화

나. AgSnO₂접점소재의 합금설계기술 개발

다. 분말가압성형공정의 최적화

라. 분말가압성형공정의 비교

6. 시제품 양산화 기술 및 특성평가 기술 개발

가. 분말 압출공정의 최적화

나. AgSnO₂접점 시제품 성능펴가

제 2 절 기술지원 수행

1. Test Report

2. 출장(외근)복명서

3. 회의록 및 납품업체(GS산전) presentation자료

4. 검사성적서

제 3 장 결론

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제 1 장 서 론

제 1 절 기술지원 필요성

○ EU의 RoHS/WEEE(2006.7.1 시행, 일본의 가전/자동차 폐차/PC 리싸이클법

(2001.4.1 /2005/2003.10.1 시행), 미국의 RERA(시행중) 및 중국의 전자정보제품

생산오염방지법 등(2006.1 or 7 시행) 특정환경 오염물질(Pb, Cd, Hg, Cr++6,

PBB 및 PBDE)에 대한 배출 및 생산에 있어 규제법이 시행되고 있거나 시행예정이

다

○ 선진국의 이러한 특정환경물질에 대한 규제강화 움직임에 따라 전자개폐기, 차

단기 및 분배기에 사용되는 대표적인 환경유해 물질인 AgCdO계 접점에 대한 대체

접점 개발이 요구되어 선진국에서는 이미 10년 전부터 Ag-SnO₂접점재의 개발이

완료되었으며 현재는 제조기술이 확립되어 있는 실정이다.

○ 그러나 접점재로서의 요구특성을 만족시키기 위해서는 Ag와 단단히 결합하여

내소모성을 향상시키는 SnO₂와 내융착성을 향상시키는 , In복합한

Ag-SnO₂접점재의 개발이 선행되어야 하는데 제조시 가공이 힘들고 제조조건이

까다로워서 제조연구에 성공한 기업은 세계적으로 독일의 Degussa, Heraeus 및

일본의 Tanaka, Sumitomo, Maruzen등에 국한되어 있는 실정이다.

○ 따라서 Ag-CdO계와 같이 우수한 물리적특성(비중, 전기전도도 및 경도) 및 접

점특성(접촉저항, 내아크성, 내용착성, 내소모성 및 강도)을 나타내는 중대전류

(50A~100A)용 대체 접점소재로 Ag-W계와 Ag-SnO₂계 등이 주목받고 있는 실정

에서 지원기업은 Ag-W계는 Ag-SnO₂계에 비해 제조원가가 월등하므로 고려의 대

상에서 제외하고 Ag-SnO₂계를 중심으로 활발히 대체접점을 찾고 있는 상황이다.

○ 그러나 Ag-SnO₂계는 Ag-CdO계와 같이 내부산화법으로 제조하면 Sn가 표면

으로 확산하여 산화물로 석축되고 내부에 고갈영역(Depleted Zone)이 형성되어 내

부에 산화물을 균일하게 분산시킬 수 없게 되므로 분말압축성형 및 소결법으로 제

조하여야만 한다.

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○ 또한, SnO₂상은 CdO 비해 높은 열적안전성을 나타내기 때문에 접점 표면에

얇고 균일한 산화물 층을 형성하는 경향이 높다. 특히 이 산화물(SnO₂)은 매우 낮

은 전기전도도를 갖기 때문에 계속된 통전하에서 파열에 의한 Ag-SnO₂접점 표면

의 용융파손을 초래하는 장해요인을 나타나고 있다. 또한 Ag-SnO₂계의 접점소재

는 젖음성이 적다는 문제점을 안고 있다.

○ 이와같이 AgSnO₂접점소재의 제조기술 확립을 위해서는 합금조성의 최적화, 분

말의 혼합 및 충진 그리고 분말압축 및 소결 전공정 걸쳐 체계적이고 종합적인 제

조공정 최적화가 이루어져야 함과 동시에 소재의 특성평가 및 분석을 위한 계통적

인 연구가 수행되어야 한다. 그러나 지원기업은 분말 압축 및 소결에 대한 경험이

부족하고 연구전담인력 또한 기술개발보다는 생산관리에 치중되어 있는 실정이므로

제조공정의 최적화 및 특성평가를 수행할 전문인력의 지원 및 실험장비의 지원이

시급한 실정이다.

제 2 절 기술지원 목표




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제 3 절 기술지원 내용


① Ag-CdO계의 대체접점으로써 동등수준이상의 제요구특성에 근접할 수 있도록

최적의 제3 및 제4 첨가산화물 설계기술지원

② Ag-SnO₂-MOx계의 각 단량체의 최적의 분말입도 조건확립 기술지원


① Ag-SnO₂-MOx계 분말압축성형 기술지원

② Ag-SnO₂-MOx계 분말과 Ag 분말의 압축성형 기술지원

③ Ag-SnO₂-MOx/Ag계 접점소재의 최적의 소결조건확립 기술지원

④ Ag-SnO₂-MOx계 접점소재의 균질화, 구상화 및 미세화(5㎛이하) 조건확립 기

술지원

⑤ Ag-SnO₂-MOx계 접점소재의 표면산화 제어조건확립 기술지원


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제 2 장 본 론

제 1 절 기술지원 성과

1. 회사개요 및 연혁

○ 회사개요

표 2-1 대상기업체의 개요

표 2-2 대상기업체의 매출/영업 실적

○ 연혁

-1976. 7. 8 유창금속공업주식회사 설립

-1976. 7. 16 일본 dyRH하마 금속(주)와 합작투자계약 체결

-1978. 5. 16 은(Ag) 전해설비 완공 및 질산은 생산

-1980. 8. 31 시안화칼륨, 시안화은칼륨 및 은용접재료 생산

-1981. 3. 6 과산화은 제조방법에 관한 발명특허권 취득

-1982. 7. 1 귀금속 전기접점 생산설비 준공 및 생산

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-1984. 6. 5 일본 Japan Energy(주)와 금속표면처리약품 수급계약 체결

-1987. 8. 10 질산은(AgNO₃) KS 표시허가 취득

-1994. 7. 6 납부영업소(창원) 개소

-1997. 12. 19 ISO 9002 인증

-1998. 12. 1 고순도, 고밀도 박막재료 개발 및 생산

-2000. 12. 18 벤처기업인증(경기지방중소기업청)

-2004. 4. 2 ISO 9001 인증

-2004. 5. 27 ISO 14001 인증

-2004. 5. 10 기업부설연구소 설립

-2004. 8. 1 접점개발 기술지원)

-2004. 11. 26 기술혁신형 중소기업(INNO-BIZ) 선정(중소기업청)

-2005. 4. 1 중소기업핵심기술개발사업(전략과제) 선정

-2005. 10. 19 솔더용 고인성 Au-Sn 공성합금 스트립 제조 방법 특허출원

○ 사업현황

대상기업인 유창금속공업(주)는 내부산화법을 이용한 전자개폐기용 전기접점을 비

롯하여 반도체 리드프레임 도금용 귀금속화합물(청화 금/은 가리), 반도체용 및 광

디크용 스퍼터 타켓(건식 박막재료), Evaporator용 고순도 귀금속 그레뉼, 귀금속브

레이징재료, 전자파차단용 나노 스케일 Ag powder 및 용접봉 등의 다양한 제품을

생산하여 LS산전, 삼성테크윈, 삼성전기 및 페어차일드반도체 등의 대기업에 납품

하고 있으며, 다음과 같은 특성을 가지고 있다.

1) 전기접점 : 높은 전기전도도, 낮은 접촉저항 및 고신뢰 내마모/내용착 특성

2) 귀금속화합물 : 고순도이며 높은 귀금속 함량

3) 건식박막재료 : 고순도, 고밀도, 미세한 입도 및 고 스퍼터 효율 등의 고신뢰성

4) 귀금속브레이징재료 : 다양한 규격(400~1,300℃), 친환경, 고기밀성

5) Ag powder : 고전자파차폐효율, 저입도편차 및 용이한 powder 형상 제어

6) 용접봉 : 고유동성, 고기밀성 및 저결함

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전기접점 귀금속화합물

박막재료(스퍼터 타겟) 박막재료(그레뉼)

나노은분 브레이징재료

그림2-1 유창금속공업(주)의 주요 생산품

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○ 조직도

그림 2-2 유창금속공업(주)의 조직도

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○ 주요장비 및 시설

고주파진공용해로 유도가열연속주조로

진공가압소결로 클린룸(Class1000)

터닝센터 머신닝센터

그림2-3 유창금속공업(주) 주요 생산장비 및 설비

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- 주요 생산장비

표 2-3 유창금속공업(주)의 주요생산장비

- 주요 시험 및 분석설비 현황

표 2-4 유창금속공업(주)의 주요 시험분석장비

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2. 전기접점의 특성

가. 접점재료의 개요

접점이란 전기회로의 개폐 또는 접촉을 기계적으로 행하는 전기적 접촉소자로서

Switches, Relays, 전자개폐기, 배선용 차단기등, 전기, 전자, 통신기기, 자동차, 고

속송배선설비, 엘리베이터등 모든 산업에 이용되고 있다. 접점재료는 접점이 사용되

는 전기 기계적 부하조건이나 개폐장치 형태 및 종류에 따라 접점재료의 설계 및

제조를 달리 하고 있다.

접점의 성능은 주로 접촉저항, 용착특성, 소모특성으로 평가하는데 이러한 특성이

모두 우수한 재료는 단체금속에는 그 원자 구조상으로 볼 때 존재하지 않는다. 예

로서 전기전도도가 좋은 재료(Ag, Cu등)는 비교적 녹는점, 끊는점이 낮고, 이것들

이 높은 재료(W, Mo, WC, TiC등)는 반대로 전기전도도가 좋지 못하다. 이러한 상

반되는 특성을 개선하기 위해서는 용해법과 소결법 등에 의해 합금재료를 만들어

사용하지만 아직까지 이들을 모두 만족시킬 수 있는 재료는 얻지 못하고 있다.

접점소재는 표 2-5에서 보는 것과 같이 금속-금속, 금속-금속간화합물, 금속-비금

속등 크게 3종류의 합금계로 분류할 수 있다. 이 중에서 중전류 이상의 영역에서

사용되는 Ag 산화물계 접점재는 Ag보다 산화물 형성자유에너지가 낮은 Cd등의 금

속을 첨가하여 내부산화법으로 이들 금속을 선택적으로 산화시킨 것이다. Ag 산화

물계 접점재는 화학적으로 안정하고 전기전도도가 높은 Ag에 산화물을 분산시킴으

로써, 강도를 높이고 Arc에 의해 표면이 고온이 되는 경우 Ag의 물리적 성질을 보

존하면서 접점의 융착 등을 억제시킨 잴로서, 산화물을 입자가 작고 그 분포상태가

균일할수록 Arc에 의한 마멸이 작고 마멸상태가 고르며 가공이 용이한 특성을 가지

고 있다. 산화물로는 Ag보다 산화물 형성자유에너지가 낮아야함은 물론, Ag와 적

은 친화력, 표면 산화물 억제를 위한 높은 증기압, 비흡수성 및 Arc 발생시 재점호

를 방지할 수 있는 열전자 방출량이 높은 원소가 적합하다. 이러한 원소로서 Cd이

외에 Zn, Sn, Te등이 있으며, 가장 널리 사용되는 것은 AgCdO로서 중전류 이하

영역에서 광범위하게 사용되며 전기접점 총수요량의 90%이상을 차지하고 있다. 근

래에는 모든 기기가 소형화, 고성능화, 고신뢰성이 요구됨에 따라, 접점재 또한 소

형화, 장수명화, 가공용이성, 귀금속 재료의 적은이용 및 환경친화성이 적극적으로

모색되고 있어 이를 보증할 수 있는 품질관리와 성능보장 및 경제적이고 우수하면

서 환경친화적인 접점재를 시급히 요구하고 있다.

- 23 -

표 2-5 전기접점용 복합재료의 분류

나. 접점재의 특성평가

전기접점재료의 접점 개폐시 전류(완전히 접촉하여 회로를 구성할 것), 유통(통전시

의 저항이 작을 것), 차단(완전히 떨어져서 전류를 차단할 것)등의 전기적 기능이

요구되는데 일반적으로 도전율, 열전도율, 융점, 경도, 가공성, 내마모성, 내산화성,

접촉저항, 개폐시 재료의 전이 및 용착들이 실용상 문제점으로 지적되고 있다. 현재

중전류 대역까지 가장 널리 사용되고 있는 AgCdO계의 경우를 살펴보면 내마멸성,

전기전도도, 접촉저항등의 특성은 우수한 재료이나 최근 Cd의 유해성과 함께 내용

착성의 불량의 문제가 되고 있으며 또한 Cd이 산화전에 선택적으로 증발하여 표면

부분에서의 용질농도가 감소하게 되므로 조직에서의 불균일도가 심하게 나타나고

있다.

- 24 -

a. 접촉저항

접촉저항이란 도체가 서로 접촉하고 있는 곳에 전류를 흘릴 때 그 접촉부 경계면에

다른 부분보다 높게 생기는 전기저항을 말하는데, 이 접촉저항이 높아지면 스위치

의 on-off시 많은 아크의 발생을 초래하게 되고 높은 에너지의 열에 의한 소모를

발생시켜 접점재의 수명은 짧아진다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 접점면을 항

상 청결히 하고 내식성과 열 ․ 전기전도도가 높은 재료를 선정할 뿐만 아니라 접촉

력을 높여 접촉저항을 최대한 저하시키는게 중요하다. 즉, 접촉저항은 접촉면의 형

상 및 전기적 특성, 기계적 성질, 접촉압력등에 의해서 지배되고, 일반적으로 경계

저항과 집중저항으로 나누어 설명할 수 있다.

① 경계저항

경계저항은 접점표면에 있는 산화막이나 기타 오염물질 때문에 얇은 절연성 피막이

형성되어 발생하는 저항을 말하며 이 절연성피막이 10Ẵ 이하인 경우는 ‘터널효과’

로 인해 전자의 이동이 이루어져 경계저항은 무시되지만, 수 10Ẵ이상이 되면 저항

은 점점 커지게 되는데 이 저항을 피막저항이라고 부르기도 한다.

② 집중저항

평면의 두 물체를 접촉시키더라도 완벽한 면 접촉을 이루는 것은 현실적으로 어려

우며 대부분이 접촉면의 미소 돌기부를 따라 표면 금속부에 접촉이 이루어진다. 이

미소 돌기부분의 면적은 아주 작기 때문에 이 부분에 흐르는 전류는 점점 집중되어

저항이 생기게 되는 데 이를 집중저항이라고 한다.

b. 전이

전기회로에서 접점이 개폐할 때 한쪽의 전극일부가 다른 전극 쪽으로 이동하여 생

기는 것을 전이라고 하는데, 전이현상에는 기계적인 것과 전기적인 것이 있다. 전자

는 접점이 반복개폐에 따른 피로로 인하여 국부적으로 이탈이 일어나 반대편에 충

격 접착되는 현상이며 반대측에 대해서는 응력이 증가하므로 동일 방향으로 이전이

계속되어 돌기가 발생한다. 후자는 접점 개폐시에 발생하는 아크방전과 glow방전에

따르는 전이와 개폐시에 용융금속간의 bridge 현상에 의한 전이로 구분되며 일반적

으로 전기적인 원인에 의한 것이 접점마멸에 더 큰 영향을 미친다.

- 25 -

전이를 발생하기 쉬운 조건은 직류 회로일 때나 저 접촉력 일 때 일어나기 쉽다.

① Arc 방전에 의한 전이

기체중의 고정전극의 방전은 일반적으로 비자속 방전과 자속 방전으로 분류되고 그

현상을 해명하려는 이론으로는 타운젠트의 이론가 스트리머의 이론이 있고 파괴 전

압에 대해서는 Paschen의 기본적 법칙이 있다. 접점의 경우 발생하는 접점 arc는

후술하는 것과 같이 발생기구에 따라 anode arc로 분류되는데 접점 arc에는 고정

전극의 경우와 같이 정상arc, 비정상arc로 분류하기도 한다. 전자는 수 μsec이상

계속 되는 것으로 지속 arc등의 용어가 이용되어지고, 후자는 단속 arc로서 접점등

의 특유한 회로 개폐시나 대용량의 콘덴서의 방전에서 나타나는데 비교적 짧은 arc

가 수회 발생하고 지속시간은 약 1μsec이하이다. On 동작시에 발생하는 단속 arc

는 sho-wering, off 동작시 단속 arc는 interrupted arc로 구별하기도 한다.

보통 대기 중의 방전은 전극 gapㅣ 이상인 경우로 Paschen의 법칙에 따르

지만 접점에 있어서는 on 또는 off 직전의 미소간극의 방전 혹은 고기압중의 방전

은 Paschen의 법칙으로 설명할 수 없다.

arc 방전에는 두 개의 전혀 다른 형이 있다. 하나는 전자 충격에 따라 주로 anode

에서 금속을 증발시켜 anode면에 @@를 생기게 하고 다른 하나는 cathode면상의

여러 위치에서 서서히 금속을 증발시켜 작은 @@가 많은 모양을 남긴다. 이들 두

종류의 arc는 각각 “anode arc" "cathode arc"로 불리워지고 있다. 어느 형식의

arc가 발생하는가에 따라 소모의 특성과 이전 방향이 정해지는 경향이 크다. 이와

같은 arc에는 그 형식을 결정하는 한계간극이 있고 이 간극 이하에서는 anode arc

가 발생하여 anode가 소모되고 이 간극 이상에서는 cathode arc가 발생하여

cathode가 소모된다. 접점면이 깨끗한 경우에는 cathode arc는 cathode면의 작은

돌기를 joule 열에 의해 증발시켜 절연파괴를 일으키고, anode arc의 경우는

cathode의 돌기가 커져서 anode가 cathode보다 먼저 비점에 도달할 때 일어난다.

- 26 -

미소간극장치에 의해 400V 와 300V로 충전시킨 동축케이블을 impedance가

matching된 상태에서 방전시켜서 실험한 결과, anode arc, cathode arc의 arc형은

전극간의 전압과 cathode의 표면상태에 따라 결정된다는 것이 알려져 있다.

② Glow 방전에 의한 전이

접점소모의 원인 중 glow 방전에 의한 것이 있다. glow 방전이 일어나려면 약

300V 전압이 필요하며 접점간의 거리를 크게 하면 glow 방전은 사라지므로 접점의

개리속도를 크게 하면 glow 방전에 의한 소모는 줄어들게 된다. 따라서 차단속도가

느린 특수한 경우를 제외하고는 일반접점의 경우에는 이러한 형태의 소모는 중요하

지 않다.

Glow 방전에는 cathode가 소모되는 경우와 anode가 소모되는 경우가 있는데 전자

의 경우가 glow 방전의 대표적인 소모형식이고 후자는 2차적인 것으로 이러한 소

모형식은 실제 아주 적다.

보통 접점에 흐르는 전류가 접점재료의 최소 arc 전류치보다 작고 회로에 유도부하

가 있는 경우에는 접점의 표면상태에 따라서 접점개리시에 glow 방전이 발생한다.

이때 glow 방전이 접점에 미치는 영향은 재질에 따라 차이가 있는데 이는 금속의

한계거리가 다르기 때문이다.

③ Bridge에 의한 전이

접점에 부여된 전위차가 작아서 arc를 발생시키지 않을 때에는 방전에 의한 전이는

일어나지 않지만, 접점간의 흐르는 전류가 직류인 경우에는 접촉저항에 의해 Joule

열, Thomson효과 등에 양극재질이 녹아서 bridge가 형성된다. 이 brigde는 온도가

높아지면 파괴되어 접점 개폐시에 한쪽 전극에 @@ 부를 만들고 그 전극의 조각은

다른 쪽의 전극으로 이전되어 반복하면 접점돌기가 형성된다. 이때 전극에 남는 용

융 금속량이 bridge에 의한 소모이다.

순수 brdge 이전 현상은 전위차가 0.5~2.0V의 회로에서 발생한다. 접점의 부하회

로 전압이 최소 arc 전압보다 크고 또 유도성이 클 때는 주로 arc 또는 glow방전에

의한 이전이 발생하여 최소 arc 전압보다 작고 또 유도성이 작을 때에는 이전이 용

융 bridge에 의해 일어난다.

- 27 -

차단시에는 보통 chattering에 의해 접점이 열리는데 이때에도 연결시와 본질적으로

차이가 없이 bridge 이전을 일으킨다. 이러한 bridge에 의한 전이현상은 arc 방전

에 의한 전이시 같이 일어나는 경우가 있다. 그 경우에는 이 두 개의 서로 다른 전

이현상이 중첩되고 그 상대적인 크기와 방향에 따라 최종적으로 전이가 결정된다.

주로 arc에 의한 전이가 크다면 bridge에 의한 전이는 무시할 수 있다.

두 전극에 @@ 부와 돌기부가 생기면 기계적으로 looking을 일으키고 한쪽의 전극

이 완전히 전이하게 되는데 이것은 arc에 의한 전이와는 전혀 다르다. 접점이 개폐

시 bridge가 형성되고 연이어 파괴가 일어나는 경우에 일반적으로 양극이 소모되어

음극에 이전되므로 bridge의 최고 온도의 위치가 양극 쪽으로 몰린다. 그 때문에

양극쪽이 전이되고 음극에 돌기부가 형성된다고 볼 수 있다. 이들은 Thomson 효과

에 의해 설명되지만 회로 연결시 접촉부에 나타나는 것 같은 고온에서의 Thomson

계수 연구가 부족하므로 만족할 만한 설명은 어렵다. 그러나 bridge에 의한 이전의

정도는 약 2A이상의 경우는 전류의 2승에 비례하고 2A이하에서는 전류의 3승에 비

례한다는 견해에는 일치하고 있다.

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C. 용착

접점을 떼려고 해도 부착되어 떨어지지 않아 회로 차단이 불가능한 현상을 용착이

라고 한다. 이는 접점에서 가장 치명적인 사고이고 원인 및 현상에 따라 looking,

압접, fusion bonding, welding으로 분류된다.

① looking

이전 현상에 의한 요철 또는 격심한 마멸과 반용융 현상에 의하여 접촉면이 거칠어

지면서 기계적으로 접착하여 떨어지지 않는 것을 말한다.

② 압접

깨끗한 두 금속면을 접촉시켜 원자간 거리까지 접근되면 면은 접착된다. 가열하면

원자의 이동이 활발해지면서 전면이 연화되면서 쉽게 압접된다.

③ fusion bonding

접촉된 접점간의 joule열 또는 arc열에 의하여 용융제가 되어 그것이 납제의 역할

을 하여 용접된 형태가 되거나 혹은 합금을 만들어 접합되는 것을 말하며 강전의

경우 많이 발생한다.

④ welding

이는 마치 저항용접과 같은 현상으로 본질적으로 폐로시에 발생한다.

3. 전기접점의 제조방법

접점의 제조방법은 크게 분말야금법과 내부산화법으로 나눠지며 내부산화법은 다시

전산화법과 후산화법으로 나눠지는데 최근 보다 미세한 산화물을 균일하게 분산시

키기 위해 내부산화법과 분말야금버블 혼합한 방법 또는 특수한 공정을 첨가한 방

법등 많은 방법들이 개발되고 있다.

- 29 -

어느 방법이 가장 적절한가는 접점의 용도 및 산화물의 양에 따라 달라지는데 현재

전산화법과 분말야금법이 가장 널리 사용되면 산화물의 양이 많을수록 분말야금법

을 사용하는 쪽이 제조측면에서는 유리하다. 이들의 공정과정을 그림 2-1에서 나타

내었다.

가. 분말야금법에 의한 제조

분말야금법은 용융금속을 mold에 주조하여 압연, 단조, 압출, 인발등의 가공과정을

거쳐 최종제품을 만드는 용융야금법에 대하여, 금속분말을 주어진 형상의 다이안에

서 직접 압축성형, 소결하여 제품을 만드는 금속가공법이다. 분말야금법으로 제조하

는 것은 경제성, 조직의 균질성, 조성조절의 용이성, 제조공정의 간편화등이 장점

때문이다.

그림 2-4 대표적인 접점소재 제조방법

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① 분말의 준비 및 혼합

분말의 준비과정에는 분말의 제조, 분말의 혼합이 있으며 분말의 형상, 입도, 입도

분포, 표면적등을 제어하는데 주안점이 있다. 분말의 형상은 제조방법과 큰 관련이

있으며 구형, 판형, 부정형등으로 필요에 따라 여러 가지 형상으로 제조되고 있다.

분말의 입도 및 입도분포는 소결 및 소결조직에 큰 영향을 미치므로 제품의 특성에

따라 잘 조절하여야 한다. 대개의 경우 입도는 50wt.%에 해당되는 입자의 크기로

나타내고 있다.

분말의 혼합은 두 종류 이상의 분말을 균질화하는 과정으로 diffusion, convection,

shear등의 원리를 이용하며, ball milling이 가장 많이 이용되고 있고 그 혼합된 정

도는 혼합기의 회전속도와 시간에 의해 결정되면 대부분 특정 속도에서 일정시간

이상이 경과하면 더 이상의 효과는 없다.

② 성형

성형에서 중요한 것은 성형 압력과 압력분포이다. 성형압력의 크기가 소결제품에

미치는 영향은 매우 크다. 만일 성형압력이 부적당하면 성형제품의 내부에 crack이

발생하거나 소결 후에도 segregation을 유발 시 킬 수 있다. 성형시 임계압력을 초

과하였을 경우에는 성형압력이 제품이 미치는 영향은 거의 나타나지 않는다.

R. W. Heckell에 따르면 성형밀도는 성형압력에 따라서 대수함수적으로 증가한다고

하며, 이로부터 성형압력이 낮은 부분에서 경도, 전도도등의 물리적 성질이 저하됨

을 예상할 수 있다. 따라서 성형시 제품의 물리적 성질의 균질화란 측면에서 압력

분포를 결정하는 성형방법, 성형 die design등이 중요한 인자가 된다.

③ 소결

소결이란 전형적으로 용융점 이하의 온도에서 원자의 이동에 의해 입자들을 결합시

키는 과정으로 물리화학적 현상이 밀접하게 관련되어 있는 복잡한 조합공정이다.

열역학적으로 보면 고상소결 중의 반응은 응축계에서의 일반 화학반응과 같다고 할

수 있다.

- 31 -

즉 극도로 분산되어 있는 계에서는 분말의 비평형조건에 의해 생기는 결정구조 결

함이나 분말 및 다공질재의 큰 표면적 때문에 생기는 과다 자유 에너지가 존재하게

되며, 계가 최소의 자유에너지를 가지려고 하는 열역학적 과정으로 생각 할 수 있

다. 이때 고상 소결을 지배하는 과정은 확산이나 소성변형 및 재결정 등이다. 소결

속도는 소결시간보다 소결온도에 의한 영향이 크다.

④ 가공

Ag-Oxide계 재료와 같이 소결 중 치밀화가 거의 되지 않는 재료는 전기적, 기계적

특성을 만족시키기 위해서는 치밀화를 위한 가공이 필요하다. 이 치밀화 가공법에

는 압출, 인발, 압연, 단조 등이 있으며 특수한 방법으로 성형과 소결을 동시에 행

하는 분말압출법, 분말압연법, 분말단조법등의 방법도 있다.

나. 내부산화법에 의한 제조

내부산화란 Ag, Cu, Ni 등의 모상에 이보다 천한 Al, Be, In, Cd, Sn 등의 금속이

함유된 합금을 산소를 포함한 분위기 중에서 가열시 천한 금속원소들이 모상중에서

산화물로 석출되는 현상을 말한다. 이러한 내부산화 현상은 Smith에 의해 Cu-Co

합금중에서 발견된 이래 Rhines, Meijering 등에 의해 이론과 함께 많은 종류의 합

금에 대해 조사되어 왔다. 그런데 이들의 연구는 거의 2원계 희박고용체에 관한 것

으로 3원계 이상에 대해서는 Ag-Cd를 제외하고는 자세히 연구 되어져 있지 않다.

그러나 최근 Ag-CdO 접점의 유해성이 문제가 되면서부터 대체 접점으로 Ag-SnO

₂계 등이 주목을 받게 되자 이들 신접점의 가공성등의 문제를 해결하기 위해 3원

계, 4원계 등의 다원계 합금에서의 내부산화 연구가 필요하게 되었다. 이러한 연구

는 주로 일본의 전기회사들의 연구개발부에서 활발히 진행되어 다수의 보고가 발표

되어 있다. 내부산화 이론은 크게 속도론과 석축된 입자의 크기, 모양, 분산상태등

을 이루는 조직론의 양면에서 고찰할 수 있다.

① 속도론적 고찰

내부산화의 속도는 주로 금속 matrix를 통한 산소의 확산속도에 의해 좌우되어진다.

이는 matrix를 통한 용질원소의 확산속도는 산소에 비해 매우 느리므로 무시 될 수

있기 때문이다. 따라서 내부 산화의 전과정은 산소의 거동을 중심으로 해석되어진

다. 일반적으로 내부 산화층의 성장과정은 다음과 같다.

- 32 -

- 합금표면에서 산소분자의 산소원자로의 해리반응

- 산소원자의 합금중으로의 용해반응

- 합금 중에서의 산소원자의 확산

- 합금 중에서 산소와 용질과의 산화물 생성반응

이들 반응 중 성장속도는 가장 느린 과정에 의해 율속되어지는데 c)의 과정으로 인

해서 일반적으로 구속되어지는 것이 보통이다. 내부산화 속도에 미치는 인자를 정

리하면 다음과 같다.

a). 내부산화 분위기 : 내부산화시 분위기중의 산소분압은 내부산화 속도에 큰 영향

을 미친다. 따라서 산소분압이 높을수록 내부산화 속도는 빨라지게 된다.

b). 내부산화 온도 : 내부산화속도는 온도에 따라 Arrhenius 식 거동을 하며 온도의

상승에 따라 증가함을 알 수 있다.

c). 용질의 농도 : 용질의 농도가 증가하면 내부산화 속도는 감소하며 용질의 농도

가 어느 정도 이상 높아지게 되면 내부산화 속도는 극히 느려져서 용질의 확산속도

를 무시 할 수 없게 되고 이에 따라 내부산화 전면에서 용질원자의 농도가 점차 증

가하여 결국은 내부산확 정지하게 될 것을 예상할 수 있다.

d). 합금중에서 산소와 용질과의 산화물 생성반응

② 조직론적 고찰

내부산화 조직은 산소와 용질의 확산속도, 석출산화물의 특성, 첨가원소 등에 의해

결정되므로 이들을 잘 고려하여 설명되어져야 한다. 내부산화 속도론에서 밝혔듯이

합금 중 용질원자의 농도가 높든지 용질원자의 확산속도가 충분히 빠르면 내부산화

는 정지될 수 있으며 극단적인 경우 표면에 산화물의 external scale이 생겨 내부로

의 산화가 완전히 차단될 수 있다. 그러나 대부분의 경우 용질의 확산 속도는 산소

에 비해 느리므로 이러한 내부산화-외부산화 천이조성은 주로 matrix에 대한 산화

물의 부피 점유율에 의해 좌우된다.

- 33 -

즉 내부산화층 내에 산화물의 접유율이 높아지면 이들의 산소의 확산을 차단하여

내부산화 전면으로 유입되는 산소의 양을 감소시켜 내부산화를 완전히 중단시키고

만다. 내부산화-외부산화 천이조성은 대개 합금의 종류에 따라 결정되며, 예를 들

면 Ag-Sn의 경우 약 5.5at%-8.8at%Sn, Ag-In의 경우 약 30vol%in이라고 보고 되

고 있다. 그런데 실제 내부산화 재료의 사용 목적상 내부산화-외부산화 천이조성의

한계 이상으로 용질 농도를 높여 내부산화를 할 필요가 있을 때가 있는데 이때는

내부산화 촉진용 합금원소의 첨가가 행하여진다. 이러한 첨가원소는 대개 용질원자

의 확산속도를 감소시켜 내부산화 전면으로의 용질원자가 과포화를 방지하여 국부

적인 석출, 산화물의 밀집에 의해 내부산화가 정지되는 것을 막거나, 성장을 억제하

여 석출산화물의 크기를 작게함으로 조대한 석출 산화물에 의해 산소의 확산로가

차단되는 것을 방지하여, 천이조성보다 높은 용질농도에서도 내부산화가 일어나게

돕는다. 내부산화시 표면에 산화물이 집적하여 만드는 external, scale외에 내부에

서도 interruption band와 같은 internal scale이 생길수도 있다. 이러한 상황은 대

개 분위기중의 산소분압이 갑자기 낮아지거나 온도가 급격히 상승될 때 용질원자의

확산에 대한 상대적인 산소의 공급부족에 의해 내부산화 전면에서의 농도 구배가역

으로 형성되어 생성되는데 외부조건이 변하지 않더라도 용질원자의 내부산화 전면

에의 과포화 경향이 크면 발생할 수도 있다. 한편 interruption band와 유사한

inner oxide film이 내부에 발생할 수도 있다. Inner oxide film은 interruption band

처럼 내부산화 전면을 완전히 가로질러 내부산화를 거의 정지시키게 하는 것은 아

니고 국부적으로 산화물의 film이 형성되는 것이므로 내부산화의 진행에는 지장이

없다. 그러나 접점등의 실제품 생산시 문제가 되므로 형성되지 않도록 하는 것이

필요하다. 내부산화 조직의 제인자중 가장 중요시하게 다루어져야 할 것은 산화물

의 크기와 모양이다. 일반적으로 내부산화를 이용하는 재료의 경우 0.1㎛이하의 구

형입자를 목표로 하는 경우가 대부분이다. 석출산화물 크기는 경도 및 가공성에 큰

영향을 미친다. 산화물 입자가 연하지 않다면 대개의 경우 산화물 입자가 작을수록

경도가 높게 되고 가공성이 양호해진다. 따라서 산화물의 크기를 가능한 작게 하는

것이 유리하다.

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석출산화물의 모양은 용질원자의 확산속도, 용질원자의 산화물 형성 에너지, 석출산

화물의 모상과의 관계, 미량 첨가원소 등에 의해 영향을 받는다. 보통 용질원자의

확산속도가 빠를수록 산화물은 조대한 부정형으로 되고, 산화물 형성 에너지가 높

을수록, 산화물의 모상으로의 용해도가 낮을수록 미세한 구형으로 석출하기 쉽다.

미량의 합금원소의 첨가는 산화물의 석출조직에 큰 영향을 미친다. 산화물은 모상

중에서 어떤 결정방향을 따라 우선 성장하게 되는데 첨가원소는 이러한 결정성장

방향을 변화시키거나 석출물의 size를 변화시켜 미량첨가로도 조직을 크게 변화시

킨다.

4. 접점의 소성가공

가. 압출(Extrusion)

기본적인 압출공정은 1700년대에 납파이프를 생산하기 위해 개발되었으며, 둥근빌

렛을 챔버 안에 넣고 램으로 밀어서 압력을 가하여 다이 사이로 통과시키는 공정이

다. 압출에는 직접, 간접, 정수압, 충격의 네 가지 기본 유형이 있다.(그럼2-5)

직접압출은 전방 압출이라고도 하며 빌렛은 용기의 벽면에 대하여 상대운동을 하므

로 벽면과의 마찰로 인해 램 하중이 매우 크다.

간접압출은 후방압출이라고도 하며, 다이가빌렛쪽으로 움직이므로 빌렛과 기의

벽면에서의 마찰은 없다.

정수압압출에서는 챔버를 유체로 채우고 이를 통하여 빌렛에 압력을 전달하여 다이

를 통과시켜 압출되도록 한다. 용기 벽면에서의 마찰은 없다.

충격압출은 간접압출의 일종으로 속이 빈 용기를 만드는데 적합하다.

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그림 2-5 압출유형 (a) 직접, (b) 간접, (c) 정수압, (d) 충격

① 압출시의 금속 유동

압출에서는 빌렛이 다이를 통과하며 단면적이 크게 감소하므로, 금속유동의 양상은

공정 전반에 걸쳐 중요한 인자이다. 그림 2-6는 직각 다이로 직접압출을 한 경우에

나타나는 전형적인 세 가지 유동양상을 나타내고 있다. 이렇게 다른 유동양상이 얻

어지는 이유는 다음과 같다.

그림 2-6 직접압출에서 나타나는 재료유동의 세가지 형태

(a). 빌렛-용기-다이간에 마찰이 없는 경우에는 가장 균일한 유동양상이 얻어진다.

(그림(a)). 이러한 유동은 윤활제를 매우 효과적으로 사용하였거나 간접압출의 경우

에 나타난다.

(b) 접촉면에서 마찰이 클 때는, 데드-메탈영역(dead-metal wone)이 발생하게 된

다.

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(그림(b)). 재료가 다이 출구로 유도함에 따라 전단을 심하게 받은 부분이 깔때기의

형상으로 형성된다. 이러한 모양으로부터 빌렛 표면(산화층 및 윤활제와 함께)은 전

단을 심하게 받은 부분을 통과한 뒤에 압출되므로, 압출제품에 결함이 생길 수 있

다.

(c) 전단을 심하게 받은 영역이 뒷부분까지 확장되어 있다(그림(C)). 이러한 확장은

용기 벽면에서의 마찰이 높아서 빌렛의 유동을 지연시키거나, 온도가 높아져서 재

료의 유동응력을 떨어뜨렸기 때문이다. 열간가공에서는 용기와 접촉한 부분의 재료

는 급격히 냉각되므로 강도가 증가하게 된다. 그 결과로 중심부의 재료는 외부의

재료에 비해 다이쪽으로 쉽게 유동되므로 데드-메탈영역이 넓게 형성되고 유동은

불균일해진다. 이러한 유동양상으로 인해 파이프 결함이 발생할 수 있다.

이상으로부터 압출에서의 금속유동에 크게 영향을 주는 두 인자는 빌렛-용기-다이

면에서의 마찰조건과 빌렛 내부의 온도구배임을 알 수 있다.

② 최적 다이각

다이각은 압출하중에 중요한 영향을 준다. 다이각과 가공일간의 관계는 다음과 같

다.

a). 이상변형일은 압출비만의 함수이므로 다이각과 무관하다.

B). 다이각이 작을수록 빌렛-다이간의 접촉 길이가 길게 되어 마찰일은 증가한다.

c). 다이각이 클수록 불균질 변형에 따른 과잉일은 증가한다.

총 램하중은 이상의 세 성분의 합이므로, 하중이 최소가 되는 각도가 존재한다.

각 성분을 다이각의 함수로 알지 못하면 최적 다이각을 구하기는 쉽지 않다.

③ 압출 결함

a). 표면 균열

압출온도, 마찰, 속도 등이 너무 높으면, 표면온도가 급격하게 증가하여 표면균열

및 터짐 또는 속도균열을 야기한다. 이때의 균열은 결정립간의 결정립계를 따라서

이러나며 보통 적열취성에 기인한다.

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소재의 온도와 압출속도를 낮춤으로써 방지할 수 있다. 표면결함은 낮은 온도에서

도 일어날 수 있다. 이때의 결함은 압출된 제품이 다이 랜드부에 주기적으로 부착

되기 때문에 생긴다. 다이 랜드부에 압출제품이 부착되며 압출압력이 급격하게 증

가하게 된다. 곧 압출제품은 앞으로 밀려나고 압출압력은 감소된다. 이러한 주기가

연속적으로 반복되면 표면 둘레에 주기적인 결함을 형성한다.

b). 파이프결함

금속유동양상은 표면의 산화물이나 불순물을 소재의 중심부로 그러들이기 쉬운 깔

대기의 형상을 고 있다. 이때의 결함은 파이프 결함이라고 한다. 이 결함은 압출제

품 전체 길이의 3분의 1에 달할 수 있고 해당부분은 결국 잘라서 버려야 한다. 파

이프 현상은 유동양상을 보다 균일하게 함으로써 줄일 수 있는데, 이는 마찰의 조

절, 온도구배 줄임 등으로 가능하다. 그 밖에 압출하기 전에 소재의 표면을 기계 가

공하여 스케일이나 표면의 불순물을 미리 제거하는 방법도 있다. 파이프결함을 피

할 수 있는 또 다른 방법으로는 용기의 직경보다 약간 작은 압출판을 사용하여 압

출이 진행됨에 따라 용기 벽을 따라 얇은 각부를 남기는 방법도 있다.

c). 내부균열

압출제품의 중심부에도 균열이 생길 수 있으며, 이때의 균열은 중심부균열, 중심부

터짐, 화살모양균열, 셰브론균열 등으로 다양하게 불리운다. 이 균열은 다이내의 변

형영역에서 중심선을 따라서 정수압으로 인한 인장응력상태 때문에 생기는 것으로

알려져 있으며, 이는 인장시험편에서 생기는 네트영역과 유사하다.

정수압 인장에 영향을 주는 주요 인자는 다이각도, 압출비, 마찰 등이다. 압출시에

나타나는 불균질 변형영역을 관찰해 보면, 이들 인자의 영향을 잘 이해할 수 있다.

실험결과에 따르면 압출비가 일정할 때, 다이각도가 클수록 제품내의 변형은 불균

질해진다. 다이각도 외에 내부균열에 영향을 주는 인자는 다이 접촉 길이이다. 다이

각도가 작을수록 접촉 길이는 길어진다. 이때의 상황은 편평한 압입자로 경도시험

을 하는 것과 유사하다.

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이 균열은 관재압출 및 관재 스피닝에서도 동일한 이유로 관의 내벽에서 발생하는

것이 관측되었다. 요약하면, 중심부균열은 다이각도, 불순물이 증가할수록 발생빈도

가 높고, 압출비가 클수록 감소한다. 봉이나 선의 인발에서도 이런한 결함이 관찰된

다.

④ 압출작업

여러 가지 재료를 다양한 단면형상 및 치수로 압출할 수 있다. 압출비는 보통

10:1에서 100:1 또는 그 이상이다. 램속도는 0.5m/s까지 가능하다.

a). 열간압출

열간 압출시에는 열간에서 재료의 변형률속도 민감성 외에도 몇가지 특별한 사항에

대해 고려할 점이 있다. 우선, 용기내에서 빌렛의 냉각으로 매우 불균질한 변형이

생긴다. 게다가, 빌렛은 압출되기 전에 가열되므로, 불활성기체의 분위기에서 가열

하지 않으면 표면에 산화막이 생긴다. 산화막의 마찰특성으로 인해, 재료의 유동양

상에 영향을 줄 수 있고, 압출제품의 표면이 산화막으로 덮여서 불량하게 된다. 이

러한 문제점을 피하기 위해서는 램의 앞면에 압출판을 붙이고 램의 직경을 용기의

직경보다 약간 작게한다. 압출이 끝나면, 주로 산화층으로 이루어진 얇은 원통형의

각이 용기 내에 남게 되므로 압출된 제품에는 산화물이 개재되지 않는다. 열간압출

의 온도 범위는 단조의 경우와 비슷하다.

b). 윤활

열간압출에서 윤활은 중요하다. 용기나 다이에 잘 달라붙는 재료를 압출할 때는, 구

리나 연강과 같이 소재보다 강도가 낮고, 연한 재료로 얇은 용기를 만들어 소재를

씌운다. 이러한 공정은 캐닝이라고 한다. 덧씌운 부분은 경계면에서의 마찰을 낮게

유지하는 작용을 하는 외에, 주위로부터 소재를 보호하거나 소재의 재료가 유독성

이거나 방사능을 방출하는 경우 주위를 오염시키는 것을 막는다. 이 기법은 분말합

금의 압출에도 이용될 수 있다.

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c). 압출 다이

열간압출용 다이재료는 열간가공용 다이강이 보통 사용된다. 다이 수명을 늘리기

위해서 다이에 지르코니아를 코팅하는 경우도 있다. 다양한 제품이 압출되므로 다

이설계에는 상당한 경험이 요구된다. 랩에 맨들릴을 붙여서 관재를 압출할 수도 있

다. 압출제품의 복잡한 정도는 단면적에 대한 둘레의 비, 즉 형상비로 결정된다. 따

라서 속이 찬 원형단면은 가장 단순한 형상이다.

나. 인발(Drawing)

인발은 봉재나 관재를 다이 사이로 잡아 당겨서 단면적을 줄이는 작업이다. 다이의

형상은 다양하고, 신선(선재의 인발)은 봉재 인발보다 재료의 직경이 작은 경우로

지름이 최소 0.025mm정도이다. 인발은 압출과 유사하나 압출에서는 압축력이 작

용하는 반면 인발 봉에서는 인장력이 작용하는 것이 다르다.

인발 선재에 생기는 결함은 압출의 경우와 비슷하며, 특히 중심부 균열은 매우 비

슷하다. 이러한 내부결함에 영향을 주는 요인도 같으며, 다이각이 크고 일회당 감소

율이 작을수록, 마찰이 클수록, 재료에 개재물이 많을수록 균열이 생기기 쉽다.

인발에만 생기는 결함으로는 솔기결함(seam)으로서, 이는 재료의 길이방향으로 생

긴 흠집 또는 접힌 자국이다. 솔기결함은 선재를 업세팅, 헤딩, 나사전조, 굽힘등과

같은 후속되는 성형 공정중에 벌어지면서 제품의 품질관리에 중요한 문제를 야기할

수 있다. 이 밖에 공정변수의 잘못된 선택, 윤활의 불량으로부터 여러 가지 표면결

함이 생기기도 한다.

냉간 인발시에 소재는 불균질 변형을 받으므로, 제품에는 잔류응력이 보통 생긴다.

그림 2-7에 나타낸 것처럼 봉재 내에는 세 주응력 방향으로 다양한 잔류응력이 생

긴다. 감소율이 매우 작은 경우에는 표면에서의 잔류응력이 압축방향이므로, 숏 피

닝(shot peening)이나, 표면압연(surface rolling)과 같은 효과를 내게 되어 피로수

명을 향상시킨다. 잔류응력은 피로 외에도, 일정 기간 사용한 후에 생기는 응력-부

식균열에 큰 영향을 주고, 절삭이나 연삭으로 인발제품의 표면층을 차례로 깎아 나

가는 과정에서 제품은 잔류응력으로 인해 휘게 된다.

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그림 2-7 냉간인발된 AISI 1045 탄소강 환봉에 나타난 잔류응력

(T=횡방향, L=길이방향, R=반경방향)

① 최적 다이각

압출의 경우에서 세가지 일성분에 대하여 다이각이 미치는 영향은 각기 다르므로,

압출력을 최소로 하는 최적 다이각이 존재한다고 하였다. 인발의 경우에도 비슷한

유형의 변형이 일어나므로, 봉재 및 선재의 인발에서도 최적 다이각이 존재한다. 하

중을 최소로 하는 최적 다이각은 감소율에 따라 증가하며, 인발에서 최적 다이각은

비교적 작음을 알 수 있다.

② 일회당 최대단면감소율

단면감소율이 커지면 인발응력도 커지지만, 인발응력에는 명백한 한계가 있다. 이

한계는 항복응력으로, 인발응력이 항복응력에 달하면 재료는 다이를 통과한 후 단

지 항복만을 일으키게 된다. 이는 제품이 계속 변형하는 것이므로 바람직하지 않다.

따라서 가능한 최대인발응력은 다이출구에서의 재료의 항복응력과 같게 된다. 마찰

및 다이각도가 일회당 최대단면감소율에 미치는 영향은 마찰일과 과잉일로 인해 인

발응력이 증가하므로, 이상변형의 경우에 비해 일회당 최대단면감소율은 감소한다.

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즉, 높은 인발력을 유지하려면 출구에서 소재의 단면적이 더 커야한다. 변형경화성

재료는 출구에서의 재료 강도가 입구부분보다 높아졌으므로, 일회당 최대단면감소

율은 증가한다.

③ 인발작업

인발작업의 성공여부는 세심하게 공정변수를 선택하고 기타 많은 인자들을 고려하

는데 달려있다. 일회 통과시 단면 감소율은 10% ~ 45% 정도이며, 소재의 단면적

이 작을수록 일회 통과당 감소율도 작게 한다. 감소율이 45% 이상이면 윤활막이

끊겨져서 표면정도가 나빠진다. 단면감소율을 작게 하여 봉재의 표면정도와 치수정

확도를 높이는 경우도 있다.

봉재나 선재를 처음 다이에 삽입시킬 때는 스웨이징으로 끝을 포인팅한다. 봉재나

선재를 다이에 위치시킨 후에는 끝을 신선기의 죠(Jaws)에 물려서 선재를 다이에

통하여 연속적으로 끌어당긴다.

인발속도는 사용되는 재료 및 단면적에 따라 다르다. 단면적이 복잡하고 넓은 경우

에는 최저 0.15m/s 정도이고, 매우 가는 선을 인발할 때는 50m/s에 달하기도 한

다. 인발속도가 빠른 경우에는 열이 소사될 시간이 충분치 않으므로 온도가 급격히

올라가서 제품의 질에 유해한 영향을 줄 수 있다. 냉간인발에서는 재료가 가공 경

화되므로 충분한 연성을 얻기 위해서는 다이를 통과한 후 중간 풀림처리를 한다.

a). 인발다이

인발용 다이의 재료에는 공구강이나 초경합금이 보통 쓰이고, 가는 선의 인발에는

다이아몬드가 사용된다. 다이아몬드 다이는 단결정 다이아몬드나 금속모재에 다이

아몬드 입자를 압착시킨 다결정 형태로 만들어진다.

b). 윤활

봉재, 선재를 인발할 때는 다이수명을 늘이고, 인발력이나 온도를 감소시키며, 인발

제품의 표면정도를 개선시키기 위해서 적절하게 윤활하는 것이 필수적이다.

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건식 인발은 인발할 봉재의 강도 및 마찰특성에 따라 표면에 각종 윤활제를 바르는

방식으로, 보통 사용되는 윤활제로는 비누를 들 수 있다. 인발소재는 우선, 산세라

는 방식으로 표면처리된다. 이 처리법으로 표면결함을 야기하거나 마모제가 될 수

있는 표면스케일을 제거하여 다이수명을 향상시킨다. 그리고 나서 비누분말이 가득

찬 상자 속을 통과시켜 비누를 표면에 바르는 방식이다.

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5. AgSnO₂전기접점 제조공정의 최적화

가. 분말혼합공정의 최적화

a. Dry-Blending 공정의 적용

그림 2-8에서 보는바와 같이 3차원 ball mixer에 의해 Ag분말과 15wt% 저성으로

첨가한 AgSnO₂분말을 blending 하였다. 이때 Ag분말은 평균입도 2-5㎛의 것을

사용하였고 AgSnO₂분말은 3-5㎛의 것을 사용하였다. 그림 2-8에는 본 지원사업

에서 사용된 Ag 및 SnO₂분말의 SEM 관찰결과를 나타내었다. Ag 및 SnO₂ 모두

구형에 가까운 형상을 나타내고 있음을 알 수 있다.

그림 2-8 본 지원사업에서 사용된 Ag 및 SnO₂분말

본 지원 사업에서는 내부산화법에 의해 AgSnO₂접점재를 제조하는 경우의 SnO₂

의 크기(5㎛이하)와 유사하도록 SnO₂분말크기를 결정하였다. 5㎛이하의 미세분말

의 균일혼합을 위한 분말공정의 최적화를 이루고자 하였다. Stainless ball과 알콜용

액 없이 Ag 및 SnO₂분말만을 jar에 장입하고 Dry 상태로 blending을 행하였다.

Blending 한 분말의 밀도와 경고를 측정하기 위하여 blending 후 상온에서

compaction을 행하였다. 그림 2-9에는 측정결과를 나타내었다. 성형체의 밀도는

이론밀도의 75~86% 범위를 나타내었으며, 경도는 70Hv를 나타내었다. 혼합시간

및 성형압력이 증가 할수록 밀도 및 경도가 증가함을 알 수 있었다.

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(a) 혼합시간에 따른 밀도의 변화

(b) 혼합시간에 따른 경도의 변화

그림 2-9 분말혼합공정(Dry-blending)시 경도 및 밀도의 변화

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Dry-blending 한 AgSnO₂분말의 미세조직 관찰결과 국부적으로 SnO₂의 편석이

관찰되었으며 그림 2-10의 (b)에서와 같이 기공의 형성 또한 관찰되었다.

상기의 분석결과에 의해, AgSnO₂분말혼합공정 중 Dry blending 공정은 적합하지

않음을 알 수 있었다.

(a) 미세조직

(b) 미세조직에서 관찰되는 기공

그림 2-10 분말혼합공정(Dry-blending)시 미세조직의 변화

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b. Dry+ball Blending 공정의 적용

Belnding Jay에 Ag 및 SnO₂분말과 함께 직경 45mm이하의 Stainless steel ball

을 함께 장입하고 Dry + ball blending을 행하였다.

그림 2-11에는 Dry + ball blending시의 경도 및 밀도 측정결과를 나타내었다. 밀

도는 이론 밀도의 78~91%로 Dry 단독의 경우보다 5~10% 이상 증가함을 알 수

있었으며 경도 또한 95Hv 이상을 나타내기도 하였다.

이러한 경도 및 밀도의 증가는 혼합시간 및 성형압력이 증가 할수록 더욱 뚜렷하였

다.



그림 2-11 분말혼합공정(Dry+Ball-blending)시 경도 및 밀도의 변화

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그림 2-12에는 Dry+ball blending 한 AgSnO₂접점재 서형체 미세조직을 나타내었

다.

Dry 단독의 blending 보다 segregation은 줄어들었으나 혼합시간이 1시간 이하인

경우에는 기공의 형성이 관찰되었다. 균일혼합을 위한 공정조건은 혼합시간 3시간

임을 알 수 있었다.

(a) 혼합시간 : 1시간

(b) 혼합시간 : 3시간

그림 2-12 분말혼합공정(Dry+Ball-blending)시 미세조직의 변화

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c. Wet+Ball Blending 공정의 적용

마지막으로 일반적인 미세분말의 균일혼합을 위해 적용되는 Wet-ball

blending(wet-chemical)을 행하였다. 알콜을 이용하였으며 혼합된 분말은 진공

oven에서 건조하였다. Dry+ball blending과 비교하여 밀도 및 경도는 비슷한 값을

나타내었으나 혼합시간이 1시간 이하인 경우에도 높은 경도와 밀도를 나타냄을 알

수 있었으며 측정결과를 그림 2-13에 나타내었다.



그림 2-13 분말혼합공정(Wet+Ball-blending)시 밀도 및 경도의 변화

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그림 2-14에는 Wet-ball blending한 Ag-SnO₂분말 혼합체의 미세조직을 나타내

었다. Dry+ball blending 과 달리 혼합시간이 1시간 이하인 경우에도 기공이 관찰

되지 않았다. 따라서 본 지원사업에서는 최소의 혼합시간에 의해 균일혼합 효과를

만족시키기 위하여 Wet+ball blending 공점을 적용하였으며, 이는 혼합공정 시 Ag

분말표면에서의 SnO₂분말 in-냐셔 formation효과도 기대하기 위해서였다.

(a) 혼합시간 : 1시간

(b) 혼합시간 : 3시간

그림 2-14 분말혼합공정(Wet+Ball-blending)시 미세조직의 변화

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그림 2-15 분말혼합공정의 최적화 모식도

그림 2-15에는 본 지원사업의 수행에 의해 얻어진 분말혼합공정조건의 최적화 모

식도를 나타내었다. 일정 밀도 및 경도 이상의 Sample에 대하여 기공의 생성여부

를 조사하여 작성하였다. 혼합공정의 차이에도 불구하고 혼합시간이 3시간이상인

경우에는 모든 sample에서 기공이 관찰되지 않았다.

혼합시간이 1시간인 경우에는 Dry 및 Dry 및 Dry+ball의 blending sample 에서는

기공이 관찰되었으며 기공의 평균크기는 10~50㎛ 이었다.

결론적으로 Ag 및 SnO2의 균일분산 및 혼합을 단시간에 효과적으로 하기위해서는

Wet+ball blending을 적용하여야 함을 알 수 있었다

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나. AgSnO2 접점소재의 합금설계기술 개발

a. 분말 직경의 영향

앞선 절에서, Ag 및 SnO₂ 분말 혼합과정의 최적조건을 조사하였으며 본 절에서

는, Ag 및 SnO₂ 분말크기 및 SnO₂ 첨가량 변화에 따른 밀도 및 경도의 변화를

조사하여 합금설계 기술을 개발하고자 하였다.

접점재 내용착성등을 향상시키기 위해서는 Matrix인 Ag 분말간의 net-work 형성

에 의한 열/전기의 전도가 매우 중요하므로 Ag의 크기를 0.3~5㎛로 변화시켰다.

(a) 분말 입경 변화에 따른 경도

(b) 분말 입경 변화에 따른 밀도

그림 2-16 분말직경이 밀도 및 경도에 미치는 영향

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Ag의 분말크기가 미세할수록 경도는 증가하는 경향을 나타내었으나 밀도는 Ag가

2~5㎛㎛인 경우보다 낮게 나타나므로 본 지원사업에서 Ag분말의 크기는 2~5㎛으

로 정하였다.

b. SnO2 함량의 영향

Ag-SnO₂계 접점소재의 일반적인 SnO₂첨가량은 내분산화법으로 제조하는 경우

에는 8wt%이하이고, 분말법으로 제조하는 경우에는 12~15wt%범위를 나타낸다.

본 지원사업에서는 SnO₂의 첨가량을 12~15wt%로 변화시키며 밀도 및 경도의 변

화를 나타내었다. SnO₂의 첨가량이 12wt%에서 15wt%로 증가 할수록, 혼합시간

이 증가할수록 밀도 및 경도의 증가를 확인하였다. Ag-SnO₂에 1wt%의 Bi₂O₃

첨가에 의해 경도의 8% 상승효과를 얻을 수 있었다.

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(a) 12wt.% SnO2

(b) 15wt.% SnO2

그림 2-17 SnO₂첨가량이 밀도 및 경도에 미치는 영향

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다. 분말가압 성형공정의 최적화

a. 가압성형시간의 영향

Blending 된 AgSnO₂-MOx 분말을 torr가 유지되는 진공 Hot pressing M/C

을 이용하여 가압성형하였다. 가압성형유지시간 3-10분, 유지온도 600~700℃, 가

압력 170-600Mpa의 범위에서 최적의 가압성형 조건을 도출하고자 하였으며 이때

성형체는 직경 7mm로 하였다. 전기 접점재로서 갖추어야 내구성, 내소모성, 내아

크성등은 밀도 및 경도와 밀접한 관련이 있으므로 이들 항복을 측정하였다. 그림

2-18에는 본 지원사업에서 사용된 Hot-Pressing 설비의 외관을 나타내었다.

그림 2-18 본 지원사업에서 사용된 분말가압성형장치

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그림 2-19에는 분말가압성형공정시 가압시간(Sintering Time)에 따른 밀도 및 경도

의 변화를 나타내었다. Ag 및 SnO₂그리고 Bi₂O₃분말은 평균 2~5㎛의 것들을

사용하였으며 Wet+ball blending 하였다.

(a) 가압시간에 따른 밀도

(b) 가압시간에 따른 경도의 변화

그림 2-19 분말가압성형 시간이 밀도 및 경도에 미치는 영향

가압시간이 증가 할수록 소결체의 밀도 및 경도가 증가함을 알 수 있었으나 그 증

가폭이 매우 미미하였다. 또한 내부산화법에 의해 AgSnO₂접점재를 제조하는 경우

의 밀도(44Hv)보다 50%이상 높은 밀도를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

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분말가압성형시간이 5분인 겨우의 AgSnO₂접점재의 미세조직을 나타내었다. 2~5

㎛의 크기를 갖는 SnO₂분말이 매우 미세하게 분산되어 있음을 알 수 있었고

Segregation 또한 관찰되지 않았다.

SnO₂분말표면은 Wet+ball blending 및 Sintering시에 형성된 것으로 보이는

In-situ Ag분말의 형성이 관찰되었다.

(a) 미세조직:5분

(b) Ag분말표면의 SEM 분석결과

그림 2-20 분말가압성형 시간이 미세조직에 미치는 영향

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b. 가압성형온도의 영향

분말가압성형 온도가 600~700℃로 증가할수록 경도는 50Hv에서 75Hv로 50%이상

증가하는 반면 밀도는 92~95%로 증가폭이 미미하였다. 이는 소결온도 증가에 따

른 분말간의 Consolidation 및 inter-locking 효과가 증대되어 경도가 증가한 것으

로 설명된다.

(a) 가압성형 온도에 따른 밀도의 변화

(b) 가압성형 온도에 따른 경도의 변화

그림 2-21 분말가압성형 온도가 밀도 및 경도에 미치는 영향

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소결온도가 600℃인 경우와 700℃ 경우, 경도의 변화는 뚜렷하였으나, 미세조직의

변화는 관찰 할 수 없었다. 현재 TEM 및 EPMA 분석이 수행 중에 있다.

(a) 600℃

(b) 700℃

그림 2-22 분말가압성형 온도가 미세조직에 미치는 영향

- 59 -

c. 가압성형 압력의 영향

AgSnO₂-MOx 분말가압성형 공정변수 중 가압력을 170~600MPa로 변화시키며

밀도 및 경도의 변화를 측정하였다.

소결온도 5분, 온도 650C인 경우에도 가압력을 600MPa로 하는 경우에는 이론 밀

도의 99%와 90~100Hv의 고경도 접점소재의 제조가 가능함을 알 수 있었다.

(a) 성형압력에 따른 밀도의 변화

(b) 성형압력에 따른 경도의 변화

그림 2-23 분말가압성형 압력이 밀도 및 경도에 미치는 영향

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가압력이 170MPa인 경우와 600MPa인 경우의 AgSnO₂-MOx 접점재 미세조직을

그림 2-24에 나타내었다.

2~5㎛의 크기를 갖는 SnO₂입자의 균일, 미세분산을 관찰 할 수 있었다.

(a) 가압성형압력 : 170MPa

(b) 가압성형압력 : 600MPa

그림 2-24 분말가압성형 압력에 따른 미세조직의 변화

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라. 분말가압성형공정의 비교

Hot-Pressing에 의해 AgSnO₂-MOx 접점소재를 제조하는 경우에는 상대적으로

높은 온도와 높은 압력 그리고 장시간의 소결시간이 요구되므로 양산공정 시 생산

성 저하의 원인이 된다.

따라서 본 지원사업에서는 AgSnO₂계 접점 소재의 양산공정 제안을 위하여

SPS(spark plasma sintering) 공정의 도입을 검토하였다.

표 2-6 분말가압성형공정의 비교 결과

분말의 크기 및 혼합조건의 동일하였으며, Ag-15wt%SnO₂-1wt%Bi₂O₃로 합금

설계하였다. SPS 공정의 적용에 의해 상대적으로 낮은 압력 및 적은 시간의 소결

에서도 동등 혹은 이상의 밀도 및 경도치 확보가 가능함을 알 수 있었으며 이는 향

후 지원기업의 SPS 장비 도입의 근거 Data 중 일부로 활용될 수 있을 것이다.

- 62 -

6. 시제품 양산화 기술 및 특성평가 기술개발

가. 분말압출공정의 최적화

(a) 650ton 직접 압출기 (b) 고주파 유도가열장치

(c) 분말 압분체(직경 40mm) (d) 분말 압출재(직경 5mm)

그림 2-25 분말압출에 사용된 장비 및 압분체, 압출재의 외관

분말가압성형법에 의해 AgSnO₂-MOx 분말 접점재를 제조하는 경우에 비하여 양

산성 및 제조원가 측면에서 유리한 압출공정을 제조공정을 도입하고자 하였다. 특

히 기존의 분말압출법과는 달리 별도의 캐닝(Canning) 재료를 사용하지 않는 분말

압출법을 개발하였다. 평균입도 2~5㎛의 Ag와 SnO₂분말을 wet-blending한 후

300℃, torr의 진공로에서 3시간 유지하면서 하소를 행하였다. 하소직후 진공챔

버안에서 분말을 packing하여 대기와의 접촉을 차단하였으며 진공 press에서 상온

으로 600MPa 압력으로 직경 40mm 길이 30mm의 분말압분체를 compaction하였

다(그림 2-25 (c)).

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고주파유도가열로(그림 2-25 (b))에서 800℃로 가열하면서 질소를 5리터/분의 유

량으로 퍼징하였으며 이때 유지시간을 5~10분으로 하여 분말입자간의 sintering 효

과를 나타내도록 하였다. 가열된 분말압분체는 650톤 직접압출기(그림 2-25 (a))에

서 압출비 96, ram speed 1m/min로 압출을 행하였다. 이때 압출압력은

2200~2400MPa으로 측정되었다. 이때 압출된 압출재는 길이 약 1m이었으며 직경

5mm였다. 압출재 표면에는 blister등의 결함이 관찰되지 않는 것으로 보아 하소공

정이 적절하여 분말표면의 수분이나 가스에 의한 결함이 발생하지 않았음을 알 수

있었다.

표 2-26에는 분말압출법으로 제조한 Ag-15wt%SnO₂-1wt%Bi₂O₃ 접점재의 특

성평가 결과를 나타내었다. 경도는 90Hv이상을 나타내었으며 밀도는 상대밀도

91%이상을 나타내었다. 향후 빌렛가열시간의 조절에 의해 접점재의 경도향상을 기

대할 수 있다. 그림 2-27에는 분말압출법으로 제조한 Ag-15wt.%SnO₂접점재의

미세조직 관찰결과를 나타내었다. 종단면과 황단면 모두 미세하게 분산된 SnO₂입

자를 확인할 수 있었으며 횡단면에서는 SnO₂입자가 metal flow방향에 평행하게

배열되어 있음을 알 수 있다. 미세하게 분산된 SnO₂입자에 의해 접점재 특성향상

이 기대되며 특히 양산성 및 생산원가의 측면에서 유리한 캔닝공정 생략형 압출공

정에 의해 Ag-SnO₂-Bi₂O₃계 접점재를 제조한데 큰 의의가 있다.

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(a) 빌렛유지온도에 따른 밀도의 변화

(b) 빌렛유지 온도에 따른 경도의 변화

그림 2-26 분말압출시 빌렛가열 유지시간이 밀도 및 경도에 미치는 영향

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(a) 빌렛가열시간 : 5분

(b) 빌렛가열시간 : 10분

그림 2-27 분말압출 시 빌렛가열 유지시간 변화에 따른 미세조직의 변화

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나. AgSnO2 접점 시제품 성능평가

본 지원사업을 통하여 최적화한 합금조성 및 제조공정에 의해 Ag-SnO₂-Bi₂O₃

계 접점소재를 제조하고 LS산전에 규격에 의거하여 전기개폐성능 시험을 수행하였

다. 직경 5mm와 7mm의 시제품을 대상소재로 수명시험을 수행하였으며, 동시에

접촉저항 및 단지 온도 상승치를 측정하였으며, 측정결과를 표2-7에 나타내었다.

표 2-7 AgSnO₂-MOx 전기접점소재의 성능평가 결과

표 2-7에서 보는 바와 같이 기존의 AgCdO계 접점소재가 주저항 및 온도상승치 모

두 매우 우수함을 알 수 있었다.

직경 5mm sample의 경우 용인 수명 70,000회를 상회하는 80,000회 이상의 수명

을 나타내었으나 직경 7mm sample의 경우에는 용인수명 56,000회의 60%수준을

달성하는 수명이 측정되었다.

이는 접점재 직경 대형화에 따른 가압력의 부족에 의한 것으로 판단되며, 가압설비

의 개량, 소결다이스의 교체 등에 의해 새로운 sample의 제작을 완료하여 현재는

LS산전에서 수명시험을 수행 중에 있다.

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제 2 절 기술지원 수행

1. Test Report

2. 출장(외근)복명서

3. 회의록 및 납품업체(LS산전) presentation 자료

4. 검사성적서

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Test Report

Slab 제조(제1차)

1. 실험일자 : 2004년 10월 29일(금요일)

2. 실험목적 : 양산조건 확립을 위한 사전 실험(약 10Kg)

3. 실험장비 : 고주파 진공용해로/알루미나도가니(Φ150, H300)/Casting Mold

4. 실험장법

(1) 진공용해(1회 진행)

① 알루미나 도가니에 Ag granule을 약 10Kg정도를 장입한다.

② 초기 진공도가 5 X 10-5torr가 되도록 puming 한다.

(2) 진공주조(1회 진행)

① 챔버 내부에 Ar gas를 도입한다.

② 용융된 Ag를 Casting mold에 붙는다.

(3) 후처리

① 상단부의 수축공 및 표면부를 약 1mm정도 절삭한다.

② 가공된 슬랩을 초음파 세척기에서 세척한다.

③ 세척된 슬랩은 cleam room에서 진공포장하여 보관한다.

5. 실험결과

(1) 진공용해

① Handling 중 오염물질이 많아 흄이 다량 발생

(2) 진공주조

진공주조 조건확립.

(3) 후처리

후처리 조건 및 방법 확립.

6. 결론 및 보완사항

(1) 양산 주조조건 확립

(2) 생산기술연구원 인계일 : 2004년 12월 29일

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Test Report

전해정련(제1차)

1. 실험일자 : 2004년 10월 30일(토요일)

2. 실험목적 : 양산조건 확립을 위한 실험(약 10Kg)

3. 실험장비 : 전해정련설비

4. 실험방법

(1) 전해정련(1회 진행)

① 전해정련조의 질산은(AgNO3)수용액에 Ag slab(10kg)을 양극에 장착

② 음극판에 Needle shape Ag가 석출되면 전류를 일정하게 고정

③ 균일한 정련속도를 유지하기 위해 전해액을 규칙적으로 교반

④ 음극판에 Needle shape Ag의 두께가 5cm가 되면 침상은을 제거

(2) 후처리

① 석출된 침상은을 알콜에서 초음파 세척

② 약 150℃의 건조기에서 약 0.5시간 건조

③ 건조된 침사은을 1Kg용기에 담아 보관

5. 실험결과

(1) 전해정련

① 정련시간 : 4시간

② 침상은 제거주기 : 1시간

(2) 후처리

① 0.5시간 건조 후 약간의 알콜 냄새가 남

② 10개의 보관용기 필요


(1) 양산조건 확립

(2) 양산시 전해조 추가 설치 필요

(3) 용기가 작아 5Kg 또는 10Kg용기 필요

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Test Report

분말제조(제1차)

(1/2)

1. 실험일자 : 2004년 11월 1일(월요일)

2. 실험목적 : 양산조건 확립을 위한 사전 실험(약 10Kg)

3. 실험장비 : 건조기, 질산은 등의 시약 및 첨가제, 반응기, 아트리터

4. 실험방법(유창금속 플레이크형 Ag powder 제조법으로 진행)

(1) 분말제조(10charges)

① 질산은(AgNO3) 정량을 순수에 용해(순수 10,000ml 기준)

② 가성소다(NaOH) 정량을 순수에 용해

③ 가성소다 용액에 질산은 첨가

④ 합성된 용액에 암모니아수를 정량 첨가

⑤ 분산제(PVP;Polyvinyl Pyrolidium) 정량 첨가

⑥ 포르말린(환원제;HCHO) 정량 첨가

⑦ 석출된 Ag를 순수로 3회 후 알콜로 세정

⑧ 표면처리 방산-산화방지) 첨가 후 초음파 Milling - 30분

⑨ 분산제, 환원제 및 표면처리제 미사용 포함 첨가량에 따라 I ~ X조건진행

(2) 후처리

① 약 70~80℃의 건조기에서 약 5시간 건조 - 샘플 채취 SEM분석

② 건조된 Silver powder를 1Kg용기에 담아 진공포장 보관

5. 실험결과

(1) 분말제조

① 평균 분말 크기 :1um

② 분말 형상 : 각이진 구형

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Test Report


(2/2)

(2) 후처리

① 5시간 건조 후 약간의 알콜 냄새가 남

② 10개의 보관용기 필요


(1) 분산제 및 표면처리제 등을 사용하여 평균입도는 제어할 수 있으나, 이에 따른

접점특성에 대한 영향을 시험할 필요가 있음.

(2) 입도는 1um이하로 제어하였으나 SnO2의 Blending 특성등을 고려하여 입도 조

정이 필요

(3) 상온 이하의 낮은 온도에서 환원속도를 늦추어 입자가 고결정성을 보이며 구형

이 아닌 각형의 형상을 나타냄

(4) 타 업체의 분말을 입수하여 분말형상 및 제조방법에 대한 분석이 필요

--> DOWA(일), 희성금속(한), 코나텍(한), 신영(한), 창성(한) 등 샘플추진요망

(5) 5시간 건조시 약간의 냄새 발산되므로 건조시간 연장필요

(6) 환원제 및 분산제 처리 후 표면처리제를 적정량 첨가한 X가 뭉침현상이 없고

분산효과가 가장 뛰어난 것으로 평가

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Test Report

시제품 제작(제1차)

(1/2)

1. 실험일자 : 2004년 11월 8일~9일(월~화요일)

2. 실험목적 : 2원 합금 조성 최적화 및 소결기술 개발

3. 실험장비 : 진공압축소결로

4. 실험방법

(1) 분말합금(100g/charge, Composition: 84Ag16SnO2 by WT%)

(2) 서형 및 소결(Φ7/1.5T, Sintering Pressure : 800psi)

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Test Report

시제품제작(제1차)

(2/2)

5. 실험결과

(1) 분말합금

① 3D Turbulent Mixer로 Blending 할 경우 분말크기차가 많을수록 혼합분말의

SnO2의 분산상태가 불량

② 분말크기가 비슷하고 작을수록 혼합상태가 가장 양호

③ Mixing 시간은 1시간이나 2시간이나 모두 양호함

(2) 압축소결

① 온도가 높아질수록 금형이 변형되어 접점 두께가 감소

② 상온부터 승온되어 접점 변형 및 기포발생이 없음

③ 750℃ 이상의 온도에서는 금형 및 압축핀이 팽창 변형되어 접점재가 핀과 금형

사이의 간격으로 이동되는 현상발생

④ 800℃에서는 금형과 접점재간에 상호 확산반응 확인(금형핀 이격 불능)


(1) 분말의 크기가 2~5um이하의 경우가 Blending 및 압출소결에 이상적

-->Ag powder size를 1 or 2~5um로 확정하는 것이 바람직함

(2) 하부의 Ag layer를 동시에 압축소결하는 방법을 고려 필요(생산성 향상)

(3) 기존의 SKD 금형을 초경금형으로 재설계 및 발주 필요

(4) LS산전의 시제품 제출시간이 촉박하므로 다량의 Ag granule을 구매하여 여러

조건의 시제품을 제작 LS산전에서 접점소명 시험을 하여 가장 좋은 조건을 양산 조

건으로 채택하는 것이 좋을 것으로 판단됨.

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Test Report


1. 실험일자 : 2004년 12월 10일(금요일)

2. 실험목적 :

(1) Granule type(4N) 진공용해하여 전해정련을 위한 Slab으로 주조

(2) 고순도(5N) Ag powder를 제조 및 Alloy blending Test용 스랩제조


4. 실험방법


① 알루미나 도가니에 Ag granule을 약 10Kg 정도를 장입한다.

② 초기 진공도가 5 X 10-5torr가 되도록 pumping 한다.

③ 고주파 전력을 증가시켜 melting하고 10분을 유지한다.



② 용융된 Ag를 Castiong mold에 붙는다.

③ 챔버 내부온도가 200℃이하가 되면 챔버를 열어 재장입한다.

(3) 후처리




5. 실험결과

(1) 진공용해

진공분위기에서 약간의 흄이 발생하였으나 별다른 특이사항은 없었음.

(2) 진공주조

초기 Mold 입구와 도가니 간격이 일치하지 않았으나, 간격 조정후 이상 없었음

수축공의 크기가 거의 일정하였고 표면상태가 양호함.

(3) 후처리

기계가공시 가공유를 과도하게 사용하여 세척에 어려움이 많았음.


(1) 접접양산시 Ag powder 전용 도가니가 필요.

(2) 공정 이동중에 발생하는 오염원을 줄이고 적은 절삭유 사용이 필요

(3) 진공포장후 전해정련 전까지 진공상태가 유지될 수 있도록 관리 필요

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Test Report


1. 실험일자 : 2004년 12월 11일(토요일)

2. 실험목적 : 분말제조 실험을 위한 전해정련(약 100Kg)


4. 실험방법


① 전해액(약질산)의 전해정련조에 Ag slab(10g)을 양극에 장착

② 직류전원(DC 2.5V/조) 투입



(2) 후처리

① 석출된 침상은을 알콜 및 순수에서 초음파 세척

② 약 150℃의 건조기에서 건조

③ 건조된 침상은을 10Kg용기에 담아 보관

5. 실험결과

(1) 전해정련

① 정련시간: 4시간 X 2 charges

② 침상은 제거주기: 1시간

(2) 후처리

① 알콜 및 순수에서 각 20분 초음파세척시 세척효과 좋음

② 1시간 건조 후 냄새 없어짐


(1) 침상은분 제조조건 확립

(2) 침상은분 세척조건 확립

(3) 침상은분 건조조건 확립

(4) 작업량이 100Kg 이상일 경우 생산일정 조율필요

(5) 양산시 건조후 진공오븐에서 80℃ 정도로 유지하여 보관 필요

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Test Report


(1/3)

1. 실험일자 : 2004년 12월 13일 ~ 15일(월~수요일)

2. 실험목적 : 1차 실험 10조건으로 양산 조건 확립 및 1차 시제품 제작(약

100Kg)

3. 실험장비 : 건조기, 질산은 등의 시약 및 첨가제, 반응기, 아트리더

4. 실험방법(유창금속 플레이크형 Ag powder 제조법으로 진행)

(1) 분말제조(10charges, 각 10kg)

① 질산은(AgNO3) 정량을 순수에 용해(순수 100 liters 기준)




⑤ 분산제(PVP;Polyvinyl Pyrolidium) 정량(3조건) 첨가

⑥ 포르말린(환원제;HCHO) 정량(3조건) 첨가


⑧ 표면처리제(지방산-산화방지, 3조건) 첨가 후 초음파 Milling - 30qns

⑨ 분산제, 환원제 및 표면처리제 미사용 포함 첨가량에 따라 I ~ X 조건진행

(2) 후처리

① 약 70~80℃의 건조기에서 약 7시간 건조 - 샘플 채취 SEM 분석


5. 실험결과

(1) X-Powder(분산제 및 표면처리제 사용, Maximum reduction rate)

① 평균 분말 크기: 1um

② 분말형상 : 각이진 구형(제 X 조건)

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Test Report


(2/3)

(2) IX-Powder(분산제 및 표면처리제 사용, Medium reduction rate)

① 평균 분말 크기 : 80um

② 분말 형상: 거친구형(장미모양)

(3) VIII-Powder(분산제 및 표면처리제 사용, Minimum reduction rate)


② 분말 형상: 각형

(4) VII-Powder(표면처리제 미사용, Non-ultrasonic Milling)


② 분말 형상: 망사형

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Test Report


(3/3)

(4) VI-Powder(분산제 및 표면처리제 미사용)

① 평균 분말 크기: 300um

② 분말 형상: 뭉친 형상

(5) I ~ V조건은 분말화 실패


(1) 1차 실험에서와 같이 X-Powder가 크기 및 분산상태에서 가장 양호하였음.

(2) 분산제와 표면처리제를 미사용한 분말의 경우 입자 상호간에 뭉치는 현상이 있

어 분말크기제어를 할 수 없는 것으로 판단됨.

(3) 표면처리제를 첨가하지 않을 경우 망상구조를 보이고 있으며, 초음파 Milling을

반듯이 진행하여 망상구조를 파괴하여 단입자 형태로 하여야 할 것임.

(4) 분산제와 표면처리제를 사용하였다 하더라도 환원시간에 따라 최종 분말의 형

상과 크기는 큰 차이를 보이고 있음. 환원시간이 길면 결정화율은 높아지나 입자

크기가 조대해졌으며, 환원시간이 너무 짧으면 결정화율은 감소하나 입자의 크기가

구형화하여 성형 및 소결에 유리할 것으로 판단됨.

(5) 1 Batch의 양을 10Kg까지 하여도 각 첨가제의 양을 정량화하면 제조상의 문제

는 없는 것으로 판단되며, 각 조건에서 제조된 은분에 대해 접점제조 실험 및 특성

시험을 하여 접점제조를 위한 가장 이상적인 조건을 설정 후 양산조건 확립이 필요

함.

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Test Report


(1/2)

1. 실험일자 : 2004년 12월 16일~9일(목~토요일)

2. 실험목적 : 2원 합금 접점 소결기술 개발 및 시제품 제작조건 확립

3. 실험장비 : 진공압축소결로, 초경금형(Φ5/1.2T, Φ7/1.5T)

4. 실험방법

(1) 분말합금(조건별 30Kg, Composition: 84Ag16SnO2 by WT%)

(2) 성형 및 소결(조건별 4.5Kg, Sintering Pressure:800psi)

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Test Report


(2/2)

(3) Silver layer 압착(접점 소결결과가 양호한 조건에 한함, 유창 기존 공정적용)

① Powder 10Kg을 이용하여 압축

② 압축성형된 Ag를 800℃에서 1시간 소결

③ 소결된 Ag를 0.3mm 두께로 압연

④ 압연된 Ag ribbon을 소결된 접점과 압착

(4) 후처리(접점 소결결과가 양호한 조건에 한함)

① 각 조건별로 제작된 접점을 자동개폐기의 대제에 Soldering(간접가열방식)

② Soldering된 접점을 규격별로 산세 후 3개씩 전기특성시험용 생기원 송부

5. 실험결과

(1) 분말합금

① SnO2의 분산상태가 모두 양호

② EDS Mapping 결과 분말크기가 2~5㎛인 경우가 가장 양호한 것으로 판명

(2) 압축소결

① 800℃의 온도에서도 금형이 변형되지 않음

② 150℃에서 건조한 분말의 경우 기포에 의한 기공이 다수 있음

③ 400℃에서 건조한 분말은 800℃의 경우에서만 100~200㎛의 기공 존재

④ 초기진공도와 관계없이 기공이 존재

(3) Silver layer 압착

① Silver의 압착에는 별다른 문제없음

(4) 후처리

① 잔류한 표면처리제의 영향으로 대제에 접점을 Soldering 과정중 기포발생


(1) 분말의 크기가 2~5um인 경우가 Blending 및 압출소결에 이상적임을 재확인

(2) Ag layer을 압착하는 과정에서 40%의 스크랲이 발생 → 분말공정 개선 필요

(3) 내부결함이 없는 최종 양품율이 20% → 분말제조팀과 협의하여 공정개선 필요

(4) 표면처리제의 양을 줄이거나 미사용이 바람직 → 분말제조팀과 협의 및 개선요

(5) 시제품 제품(입도:2~5㎛/소결압:800psi/소결온도:700℃) 조건 확립

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Test Report


1. 실험일자 : 2005년 2월 2일(화요일)

2. 실험목적 : 2차 주조조건과 동일한 조건으로 주조하여 생산기술연구원의 분말

Blending Test 용(약 30Kg) 및 향후 양산조건 확립


4. 실험방법


① 알루미나 도가니에 Ag granule을 약 10Kg정도를 장입한다.







(3) 후처리




5. 실험결과

(1) 진공용해

특이사항은 없음.

(2) 진공주조

표면상태가 양호함.

(3) 후처리

특이사항 없음.


(1) 양산 주조조건 확립

(2) 생산기술연구원 인계일 : 2004년 12월 29일

- 82 -

Test Report


1. 실험일자 : 2005년 2월 17일(목요일)

2. 실험목적 : 생기원 분말합금 시험용 전해정련(약 30Kg)


4. 실험방법


① 전해액(약질산)의 전해정련조에 Ag slab(10Kg)을 양극에 장착




(2) 후처리

① 석출된 침상은을 알콜 및 순수에서 초음파 설치


③ 건조된 침상은을 10Kg용기에 담아 보관

5. 실험결과

(1) 전해정련

① 정련시간 : 4시간 X 1 charges

② 침상은 제거주기 : 1시간(2차와 동일 조건)

(2) 후처리

① 알콜 및 순수에서 각 20분 초음파 세척



(1) 용기에 보관 후 이동중 오염이 없도록 기밀 보완 필요

(2) 침상은분을 사용하여 접점을 제조 및 평가필요

--> 생산기술연구원과 협의 필요

- 83 -

Test Report


(1/1)

1. 실험일자 : 2005년 3월 11일(금요일)

2. 실험목적 : 생산기술연구원 접점제작 용 X-Powder 제조 실험(약 30Kg)


4. 실험방법

(1) 분말제조(1 charges)





⑤ 분산제(PVP;Polyvinyl Pyrolidium) 정량 첨가

⑥ 포르말린(환원제;HCHO)정량 첨가


⑧ 표면처리제(지방산-산화방지) 첨가 후 초음파 Milling - 30분

(2) 후처리

① 약 70~80℃의 건조기에서 약 5시간 건조 - 샘플 채취 SEM분석


5. 실험결과

(1) 분말제조



(2) 인계예정일 : 2005년 1월 11일(시제품 접점 제조관련 회의 예정일)

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Test Report


(1/3)

1. 실험일자 : 2005년 3월 21일~22일(월~화요일)

2. 실험목적 : LS산전 시험용 및 생산기술연구원 특성평가용 시제품 제작

3. 실험장비 : 진공압축소결로, 초경금형(Φ5/1.2T, Φ7/1.5ㅆ)

4. 실험방법(2차 시제품 제작 결과를 토대로 진행)

(1) 분말합금(30Kg, Composition: 84Ag16SnO2 by WT%)

(2) 성형 및 소결(조건별 5Kg, Sintering Pressure:800psi)


① 압연된 Ag ribbon을 소결된 접점과 압착(유창 기존공정 적용)

(4) 후처리(접점 소결결과가 양호한 조건에 한함)

① 각 조건별로 제작된 접점을 자동개폐기의 대제에 Soldering(간접가열방식)

② Soldering된 접점을 규격별로 산세 후 3개씩 전기특성시험용 생기원 송부

③ 전기특성평가가 우수한 접점에 대해 생기원 특성평가 보고서와 함께 LS산전에

자동개폐기 3대분(각 18접점)을 송부-자료발송일은 생기원과 협의

- 85 -

Test Report


(2/3)

5. 실험결과

(1) 분말합금

① SnO2의 분산상태가 모두 양호(SEM & EDS Mapping 결과 참조)

② 400℃에서 건조한 분말이 일부 표면산화제와 결합되어 저융점 은입자 형성

(2) 압축소결

① 소결온도가 높아질수록 합금층의 경도가 높음(측면에 약간의 Burr 발생)

② 표면처리제의 양을 1/2로 줄이고 건조온도를 놓여 기포발생이 억제되었음

③ 기공의 크기도 100㎛이하로 감소됨


① Silver의 압착에는 별다른 문제없음

(4) 후처리

① 대제에 접점을 Soldering 과정중 기포발생(약 50%)

그림1. 2원계 접점의 SEM Bach-scattering image(800℃ 소결)

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Test Report


(3/3)

그림2. 2원계 접점의 EDS Mapping(800℃ 소결)


(1) 400℃에서 건조지 입자생성물을 제거하고 접점을 제작하여 은함량이 5%감소

(2) Ag layer을 압착하는 과정에서 40%의 스크랲이 발생 → 분말공정 개선 필요

(3) 표면처리제 감소에 따른 내부결함이 없는 최종 양품율이 50%로 상승

(4) 대제에 Soldering시 기포 다소 발생 → 분말제조팀과 재논의 필요

(5) LS산전 접점 특성평가 및 수명시험용 접점 제작(전자개폐기 6조 분량) 완료

→ LS산전의 시험결과에 따라 차기 테스트 방향 및 일정 조정

(6) 생산기술연구원에 물리/전기적 특성 평가 의뢰용 동일 접점 송부(3월 23일)

→ 특성평가 보고서를 생산기술연구원으로부터 수신되면 영업부에 인계예정

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Test Report

은분(제1차)

(1/3)

1. 실험일자 : 2005년 3월 28일~29일(월~화요일)

2. 실험목적 : 합금층과 은층을 동시에 상온성형 및 소결함에 따른 은층영향 실험

3. 실험장비 : 진공압축소결로, 초경금형(9.4 X 9.4 1.6T)

4. 실험방법(Ag powder의 표면처리제 양에 따른 Alloy layer의 표면기둥 관찰)

(1) 분말제조 및 합금설계(각 조건별 5Kg)

(2) 분말합금(각 조건별 5Kg)

(3) 성형 및 소결(조건별 1Kg)

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Test Report

은분(제1차)

(2/3)

5. 실험결과

(1) 분산제(100%) + 표면처리제(100%)

사진1. (A) Alloy surface (B) Ag surface sintered at 800℃

(2) 분산제(100%) + 표면처리제(50%)


(3) 분산제(50%) + 표면처리제(50%)


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Test Report

은분(제2차)

(3/3)

(4) 분산제(100%) + 표면처리제(0%)


(5) 건식분말



(1) 분산제(100%)와 표면처리제(100%)를 정량을 분말제조시 첨가하면 접점의 변형

은 물론 많은 양의 기포가 발생

(2) 표면처리제의 첨가량을 감소시키면 기포발생이 현격히 감소

(3) 분산제는 기포발생과는 상관관계가 없는 것으로 판명. 단 분산제의 양이 많으면

합금층과 은층의 박리현상이 일어남

(4) 표면처리제를 첨가하지 않으면 기포가 거의 발생되지 않았음

→ 양산 조건 협의 필요

(5) 화학성분이 함유되지 않은 건식분말의 경우 합금층 및 은층 모두 기포 미발생

되지 않음. 합금층에 잔류한 분산제 또는 표면처리제에 의해 박리현상 발생

- 90 -

Test Report


1. 실험일자 : 2005년 5월 12일(금요일)

2. 실험목적 :

(1) Granule type(4N) 진공용해하여 전해정련을 위한 Slab으로 주조

(2) LS산전 접점 시제품 및 양산시제품 납품용

3. 실험장비 : 고주파 진공용해로/알루미나도가니(∅150, H300)/Casting Mold

4. 실험방법


① 알루미나 도가니에 Ag granule을 약 10kg 정도를 장입한다.







(3) 후처리

① 상단부의 수축공 및 표면부를 약 1mm 정도 절삭한다.



5. 실험결과

(1) 진공용해

특이사항은 없었음.

(2) 진공주조

수축공의 크기가 거의 일정하였고 표면상태가 양호함.

(3) 후처리

특이사항 없음.


(1) 용탕의 온도가 높으면 수축공의 깊이가 깊어짐으로 주의요망

(2) 알루미나도가니의 사용빈도가 많아짐에 따라 오염원 증가 대책필요

(3) 슬랩의 온도가 500℃ 이상이면 표면에서 산화진행 주의요망

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Test Report


1. 실험일자 : 2005년 5월 1일(토요일)

2. 실험목적 : LS산전 시제품 및 양산시제품 평가용 정련(약 120Kg)


4. 실험방법


① 전해액(약질산)의 전해정련조에 Ag slab(10Kg)을 양극에 장착




(2) 후처리

① 석출된 침상은을 알콜 및 순수에서 초음파 세척


③ 건조된 침상은을 10Kg 용기에 담아 보관

5. 실험결과

(1) 전해정련

① 정련시간: 4시간 X 3 charges

② 침상은 제거주기: 1시간(2/3차와 동일 조건)

(2) 후처리

① 알콜 및 순수에서 각 20분 초음파 세척



(1) 정련도 분석(ICP or ICP-MS)필요

(2) 생산기술연구원 Test 용 은분 20Kg 제조 요청 - 생산1부

(3) 사업계획서상의 필용량(170Kg)과 실제 제조량(250Kg)과 차이가 남

--> 생산기술연구원과 문제점이 없는지 협의 요망

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Test Report


(1/1)

1. 실험일자 : 2005년 5월 16일~17일(월~화요일)

2. 실험목적 : 3원계 양산 시제품 접점 제작을 위한 제조 실험(120Kg)


4. 실험방법(표면처리제를 참가하지 않고 초음파 Milling 진행)

(1) 분말제조(12charges)





⑤ 분산제(PVP;Polyvibyl Pyrolidium) 정량 첨가

⑥ 포르말린(환원제;HCHO) 정량 첨가


⑧ 초음파 Milling - 30분

(2) 후처리

① 약 70~80℃의 건조기에서 약 7tlkrs 건조 - 샘플 채취 SEM 분석

② 건조된 Silver powder를 10Kg 용기에 담아 진공포장 보관

5. 실험결과

(1) 분말제조

① 평균 분말 크기: 1um 이하


(2) 100Kg은 양산 시제품 제작용 20Kg은 생산기술연구원 송부

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Test Report


(1/4)

1. 실험일자 : 2005년 5월 19일~20일(목~금요일)

2. 실험목적 : 3원계 LS산전 시험용 시제품 제작을 위한 합금설계 실험

3. 실험장비 : 진공압축소결로, 초경금형(9.4 x 9.4, 1.6T)

4. 실험방법(LS산전 시험수명 실패에 따른 3원계 접점제작, Ag layer도 분말성형)

(1) 합금설계(각 조건별 5Kg)

(2) 분말합금(각 합금별 5Kg)

(3) 성형 및 소결(조건별 1Kg, Sintering Pressure:1,500psi)

- 94 -

Test Report


(2/4)

5. 실험결과

(1) 합금설계

① 국내업체에서 제2산화물로 In2O3를 첨가하는 경우에는 산화물의 증기압이 높아

내열특성은 우수한 반면 접점수명이 짧다는 단점을 확인

② Bi2O3를 첨가하면 접점수명을 증가시킬 수 있다는 논문 참조하여 합금설계

(2) 분말합금

① SnO2 및 Bi2O3의 분산상태가 모두 양호(SEM & EDS Mapping 결과)

② 400℃에서 저융점 은입자 형성을 방지하기 위해 2단계 건조방법 적용

→ 은입자의 응결현상은 많이 개선되었으나 완전방지 불가 확인

(3) 압축소결

① 기포발생이 80%이상 억제되었으나 여전히 기포가 존재하였음(밀도 95%)

② 합금층과 은층의 열팽창계수 차이로 인해 소결과정중 접점이 변형

③ 합금층의 경우 상부와 하부사이에 조성구배 현상 발생

그림1. 3원계 접점의 SEM Back-scattering image(합금1)

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Test Report


(3/4)

그림2. 3원계 접점의 EDS peak(합금1)

그림3. 3원계 접점의 EDS Mapping(합금1)

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Test Report


(4/4)


(1) LS산전 전기 및 물리적 특성 규격에 만족하는 조성은 SnO2 14~15%, Bi2O3

1~2%에서 가장 우수

(2) 은층이 소결시 접점에 미치는 영향에 대한 별도의 테스트 진행 필요

(3) Bi2O3는 극소량이 아님에도 불구하고 EDS 분석시 검출이 잘 안됨

(4) 합금층의 상부와 하부사이에 조성이 구배지는 현상에 대한 원인규명이 필요

(5) 국부적으로 소결이 완료되지 않은 부분과 산화물 농밀부 발생 원인규명 필요

→ Blending시 Powder의 양과 Ball의 양을 정량화 필요

(6) 생산기술연구원에 결과 통보 및 4원계 합금 접점 제작 협의

→ 첨가원소 수가 많아질수록 합금설계 및 균일 합금에 부정적 요소이며, 유창금속

의 생산원가 상승을 유발하므로 부정적 판단함

→ 단, 3원계 접점 시제품을 LS산전에 송부하고 테스트 결과를 통보받은 후 고려하

는 것으로 잠정 합의함

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Test Report

은분(제2차)

(1/3)

1. 실험일자 : 2005년 5월 23일~25일(월~수요일)

2. 실험목적 : 합금층과 은층을 동시에 상온성형 및 소결함에 따른 은층영향 실험

3. 실험장비 : 진공압축소결로, 초경금형(9.4 x 9.4, 1.6T), 소결로

4. 실험방법(Ag layer 두께 및 소결시간에 따른 분말성형 접점의 변형 측정)


(2) 분말합금(각 조성별 10Kg)

(3) 성형 및 소결(조건별 1Kg, 두께비 9:1, 5:1 및 4:1)

- 98 -

Test Report

은분(제2차)

(2/3)

5. 실험결과

(1) Alloy layer vs. Silver layer(10:0)

사진1. Sintering Temperature (A) 700℃, (B) 800℃


사진2. Sintering Temperature (A) 700℃, (B) 750℃, (C) 800℃


사진3. Sintering Temperature (A) 700℃, (B) 800℃

- 99 -

Test Report

은분(제2차)

(3/3)


사진4. Sintering Temperature (A) 700℃, (B) 750℃, (C) 800℃


(1) 은층이 없는 경우 소결온도에 상관없이 변형이 일어나지 않음

(2) 합금층과 은층의 비율이 9:1의 경우 800℃에서 소결시 약 2% 변형

→ 후 가공을 통해 처리가능 변형량임

→ 은층은 Soldering을 위한 부분이므로 접점 표면에서 온도상승이 일어나지 않을

적정한 두께를 찾아야 할 것임

→ 양층의 계면을 굴곡형으로 하여 테스트 필요

(3) 합금층과 은층의 비율이 4:1이 되면 750℃ 이상의 온도에서 은층의 팽창량이

극도로 증가되어 원래의 접점 형태을 반전시켜 은층에 곡면이 형성됨

→ 이러한 바이메탈현상을 줄일 수 있는 양상공정 개발 필요성 있음

→ 즉, 550℃ 이상에서 압축을 행하거나 압축과 소결을 동시에 진행 필요

→ 생산성 감소로 이어지므로 생산성 향상을 위한 공정개발이 필수임

(4) 소결 후 두께 방향으로 부피팽창(1.6T → 1.8T)이 발생

→ 원인 규명 필요(일반적인 소결 양상과 배치되는 현상임)

- 100 -

Test Report


(1/4)

1. 실험일자 : 2005년 5월 26일~27일(수~목요일)

2. 실험목적 : 3원계 LS산전 시험용 시제품 제작 및 재현성 실험


4. 실험방법(조성은 은분2차 테스트와 동일조건, 압력과 온도는 1,500psi 및 80

0℃)


(2) 분말합금(각 합금별 5Kg)

(3) 성형 및 소결(조건별 1Kg, Sintering Pressure:1,500psi)

- 101 -

Test Report


(2/4)

5. 실험결과

(1) 합금설계

① SnO2 및 Bi2O3의 조성비가 14.5 및 1.5wt%일 경우가 물리적 특성이 양호

(2) 분말합금

① SnO2 및 Bi2O3의 분산상태가 모두 양호(SEM & EDS Mapping 결과)

② 분말 혼합을 위한 용기 교체(용량 10ℓ → 2ℓ)

(3) 압축소결

① 온도가 500℃까지 승온된 이후에 압축하여 잔류 표면처리제 제거하여 접점층의

표면상태가 매우 안정됨

② 소결시간이 2시간 경우가 밀도 및 은분의 소결정도(밀도)가 높아짐

③ 기공의 수가 감소하였으며, 크기도 50㎛ 이하로 감소됨

④ 합금층과 은층의 계면 접합강도가 800℃에서 2시간 소결시에 더욱 증가하였으

며 결함 또한 상당히 감소하였음

그림1. SEM surface image of the electric contact

sintered for 1hr at 800℃

- 102 -

Test Report


(3/4)

그림2. SEM surface image of the electric contact


그림3. SEM cross section image of the electric

contact sintered for 2hr at 800℃

- 103 -

Test Report


(4/4)

그림4. EDS mapping of the electric

contact sintered for 2hr at 800℃


(1) SnO2와 B2O3의 조성이 14.5 및 1.5wt.%에서 물리적, 전기적 특성이 가장 양

호하였음을 재확인하였음. 이는 문헌과 일치함을 증명하고 있음.

(2) Mixing 용기의 80% 정도를 넣고 Mixing 하였음 겨우가 분산상태가 가장 양호

(3) 합금층과 은층의 접합강도는 소결온도가 상승할수록 증가하였으며, 800℃의온

도의 경우 1시간 소결시보다 2시간 소결시 약 30%의 증가를 보임



- 104 -

Test Report


(1/3)

1. 실험일자 : 2005년 7월 4일~일(월~금요일)

2. 실험목적 : 3원계 LS산전 시제품의 수명시험 합격에 따른 양산조건 확립 실험


4. 실험방법

(1) 합금설계(30Kg, 5Kg/Lot, 6Lots)

(2) 분말합금(5Kg/Lot)

(3) 성형 및 소결(5Kg/Lot, Sintering Pressure:1,500psi )

(4) 샘플링 검사 및 양산시제품 테스트용 접점 송부

① Lot별 각 5개씩 무작위 샘플링

② SEM 및 EDS Mapping

③ 고양품율 Lot의 양산 시제품을 LS산전 테스트용으로 송부

- 9.4 x 9.4, 1.6T(R type: 300EA, F type : 100EA)

- ∅7 (1.5T R type : 200EA, 1.2T R type : 200EA)

- ∅5 (1.2T R type : 400EA)

- 105 -

Test Report


(2/3)

5. 실험결과(9 x 9 1.6T, R type sampling)

(1) SEM image

그림1. SEM cross section image of the electric contact


(2) EDS Mapping

그림2. EDS mapping image of the electric contact


- 106 -

Test Report


(3/3)

(3) ICP 성분분석


(1) 2단계 승온 압축 후 소결하면 내부 결함이 거의 발견되지 않음

(2) EDS에서 거의 검출되지 않은 Bi를 ICP로 분석한 결과 평균 1.06wt%의 무게

분율을 나타나고 있다. 전체적으로 합금량보다 다소 적을 값을 보임

→ 분말 혼합과정 중 알콜에 침전시키는 과정에 Submicro의 Bi2O3 분말의 일부

알콜 표면위에 부유하면서 알콜을 제거하는 과정에서 손실되는 것으로 추정됨.

→ Ag와 SnO2의 목표 합금조성과 약 2W% 이하의 편차를 나타냄.

(3) EDS Mapping 결과는 어느 샘풀이던지 합금분말의 분산상태가 양호함.

→ 양산시 분말 혼합과정에서 혼합용기의 용량이 필수불가결하게 증가되어야하므로

혼합 조건의 재확립이 필요함.

(4) LS산전에 양산시제품을 테스트 후 위의 조성 편차에 따른 표면온도상승시험 결

과와 수명시험 결과를 토대로 양품 판정을 위한 데이터베이스화가 필요함.

(3) 합금층과 은층의 접합강도 소결온도가 상승할수록 증가하였으며, 800℃의 온도

의 경우 1시간 소결시보다 2시간 소결시 약 30%의 증가를 보임



- 107 -

특성평가 보고서(2차)

1. 품명: AgSnO2MxOy접점재

2. 시편제조방법: Hot-pressing에 의한 분말가압성형

3. 측정결과

※ 비고: Ag-SnO2-X(X:제3 금속산화물)계 전기접점재 시편제조 실험 최적화 진행

중.

작성자: 조 훈

한국생산기술연구원

- 108 -

제 3 장 결 론

1. 부품소재종합기술지원사업에 의한 “분말압축 및 소결법에 의한 분산강화형

Ag-SnO2 접점소재 제조기술 지원” 기술지원을 통하여, 기술지원의 당초개발 목표

를 상회하는 지술지원 성과를 얻을 수 있었다.

2. 본 지원사업에 의해 제조된 Ag-SnO2-MOX계 전기접점소재를 개폐기 제조업체

인 LS산전의 규격에 의거하여 사용전압 462V, 사용전류 : 25-40A를 대상으로 하

는 전기개폐기에 실제로 장착하여 성능평가를 한 결과 기존의 AgCdO계 전기접점

소재보다 단자온도 상승치 및 주접촉저항 등에서 우수한 성능평가결과를 나타내었

다.

3. Ag-SnO2-MOX계 전기접점소재를 제조하는데 있어, wet-blending 공정에 의한

분말 혼합이 분말의 균일혼합을 위해 필수적임을 알 수 있었으며, 가압성형공정에

서는 가압력이 가압온도 및 시간에 비하여 소재의 특성치 확보에 지배적인 공정변

수임을 알 수 있었다. 본사업을 통하여 기존의 AgCdO계 접점소재에 대응할 수 있

는 특성을 나타내는 접점소재의 최적조성은 Ag-14%SnO2-1%Bi2O3임을 알 수 있

었다.

4. AgSnO2계 전기접점소재의 양산화공정을 위해서 분말압출공정 및 SPS(Spark

Plasma Sintering)공정의 최적화를 실현하였으며, 향후 SPS 장비의 도입을 검토하

여야 함을 알 수 있었다.

- 109 -

주 의

1. 이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품ㆍ소재종합기술지원사

업의 기술지원보고서이다.

2. 이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시 산업자원

부에서 시행한 부품ㆍ소재종합기술지원사업의 기술지원결과임을

밝혀야 한다.

- 110 -

분말압축 및 소결법에 의한 분산강화형 Ag-SnO2 접점소재 제조기술 … ·...

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