KR100519673B1 - 주석-은 코팅 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 장치에 사용되는 접지(contact) 또는 단자(terminal)와 같은 전기 또는 전자 연결 장치에 대한 향상된 코팅에 관한 것이다. 본 발명에 의한 코팅은 바람직하게 1.0∼20 중량%, 바람직하게 2.0∼15 중량%, 더욱 바람직하게 3.0∼10 중량%의 은 및 필수적으로 잔부가 주석으로 이루어진 이원의 주석-은(binary tin-silver) 코팅으로 이루어진다. 상기 코팅은 바람직하게 용융된 주석-은 배양액에 기질 물질을 담금질하므로 적용되어진다.

Description

주석-은 코팅{TIN-SILVER COATINGS}

본 출원은 주석-은 코팅의 제목으로 2001년 8월 14일에 출원된 미국 가특허 출원(provisional patent application) 제60/312,331호의 이익(benefit)을 청구한다.

본 발명은 자동차 연결장치와 같은 전기 및 전자 장치에 사용되는 기질 물질에 적용되는 주석-은 코팅 및 주석-은 코팅을 기질 물질에 적용하는 방법에 관한 것이다.

자동차에서 전기 접지(electrical contact)는 그것들이 작동하여 상승된 온도 및 환경으로 인해 다양한 위험(hazard)이 나타난다. 예를 들어, 자동차 전기 접지는 일상적으로 미세동작(micromotion)에 의해 진동 및 미동마멸부식(fretting corrosion)이 나타난다. 미동마멸부식은 전기적 표면의 접지에 접지 저항의 증가로 인한 손상으로 발생된다. 게다가, 전기적인 아크현상은 두개의 전기 접지 또는 단자들이 함께 짝을 이룰때 발생할 수 있다.

이러한 문제들을 처리하기 위하여, 자동차의 전기적 접지들을 금으로 코팅한다. 금은 유해산소의 생산을 일으키지 않기 때문에 유리한 물질이다. 그러나 금의 가격이 매우 높고 자동차의 전기적 접지의 비용을 과도하게 증가시킨다.

금의 비용을 제거하기 위하여, 전기적 접지들을 순수한 주석으로 코팅한다. 경제적으로 이익이 되는 동시에, 순수 주석 코팅은 매우 긴 주기 수명(cycle life)을 가지지 못하며, 일반적으로 170 주기를 가지고 있다.

이렇게 경제적으로 유리한 전기적 접지의 형성에 사용할 수 있으며 자동차의 전기적 접지의 작용하에 환경의 스트레스(stesses)에 내성을 가질 수 있는 코팅이 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 전기 및 전자 장치를 위한 향상된 코팅을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 구체적으로 자동차 장치에 사용되고 긴 주기 수명을 가진 상기와 같은 향상된 코팅을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 경제적으로 허용가능한 자동차의 전기적 접지를 위한 상기와 같은 향상된 코팅을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 기질 물질에 코팅을 형성하기 위한 향상된 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 전기 연결장치 또는 접지를 형성하기 위한 향상된 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 주석-은 코팅 및 본 발명의 방법에 의해 달성될 수 있다.

본 발명에 의해, 주석-은 코팅은 전기적 접지에 사용되는 기질 금속에 적용된다. 기질 금속은 요구되는 전기적 전도성을 가진 적당한 금속이다. 예를 들어 기질 금속은 구리, 구리 합금, 탄소강 물질 또는 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 바람직한 실시예에서 본 발명의 주석-은 코팅은 1.0∼20 중량%, 바람직하게 2.0∼15 중량, 가장 바람직하게 3.0∼10 중량%의 은 및 필수적으로 잔부가 주석으로 이루어진다. 하기에서 기술하는 바와 같이, 본 발명의 이원의 주석-은 코팅은 구체적으로 유리한 코팅이다. 예를 들어, 상기 코팅은 코팅에 유해하고 코팅의 전기적 저항 성질을 증가시키는 산소의 생성을 피한다.

본 발명의 코팅이 바람직하게 이원의 주석-은 코팅인 한편, 상기 코팅은 또한 유효량이 5.0 중량% 이하의 비스무스, 실리콘, 구리, 마그네슘, 철, 니켈, 망간, 아연, 안티모니 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 경화제 원소를 포함한다. 상기 코팅에 존재하는 적어도 하나 이상의 경화제 원소는 코팅의 전기적 저항을 증가시키는 산소의 생성을 야기시키는 양으로 존재하지 않는다.

본 발명의 주석-은 코팅의 하나의 장점은 탈산화제와 같은 요소들의 포함을 필요로 하지 않는다.

본 발명의 주석-은 코팅은 대략적으로 코팅될 기질 물질을 제공하는 단계, 1.0∼20 중량%의 은 및 필수적으로 잔부가 주석으로 이루어진 배양액을 제조하는 단계, 상기 배양액에 기질 물질을 담금질하여 기질 물질에 1.0∼20 중량%의 은 및 필수적으로 잔부가 주석으로 구성된 코팅층을 형성시키는 단계로 이루어진 방법을 이용하여 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 배양액 및 코팅은 또한 비스무스, 실리콘, 구리, 마그네슘, 철, 니켈, 망간, 아연, 안티모니 및 그의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함한다. 상기 적어도 하나 이상의 원소가 존재할 때, 상기 적어도 하나 이상의 원소는 코팅의 저항을 증가시키는 산소의 생성을 야기시키지 않는 양으로 존재한다.

본 발명의 주석-은 코팅 및 그것들을 형성하기 위한 방법의 다른 기술들은 또한 거기에 따라다니는 다른 목적 및 장점은 하기 상세한 설명 및 첨가된 도면에 나타내었다.

상기 기술된 바와 같이, 본 발명은 자동차용 전기적 접지와 같은 전기 및 전자 장치에 사용되는 기질 물질에 주석-은 코팅의 적용에 관한 것이다. 상기 기질 물질은 탄소강 물질(carbon steel material)과 같은 철 계열 물질(ferrous based material), 또는 순수 구리, 구리 계열 합금 또는 알루미늄 합금과 같은 비-철 계열 물질과 같이 본 기술 분야에 알려진 전기적으로 전도성 물질이 적합하다. 통상적으로 자동차용 장치에 사용되는 하나의 기질 물질은 0.003∼0.023의 텔루리움(tellurium), 0.003∼0.023의 주석(tin), 0.001∼0.010의 인(phosphorous) 및 잔부가 구리(copper)로 이루어진 CDA 합금 14530이라 불리우는 구리-텔루리움 합금이다.

대분부의 전기 및 전자 장치에서, 적어도 일부분의 기질 물질에 코팅층을 가지는 것이 바람직하며 미동마멸부식 및 증가된 전기적 저항을 야기시키는 표면 산화에 도움이 된다. 코팅은 많은 주기 동안에 각 장치들에 적용된 힘에 견디기 위한 충분한 경도 및 너무 크지 않는 저항값을 가지고 있어야 한다. 자동차의 장치와 같은 전기 및 전자 장치용 기질 물질에 적용되는 구체적으로 유용한 코팅을 위한 조성물은 1.0∼20 중량%, 바람직하게 2.0∼15 중량%, 가장 바람직하게 3.0∼10 중량%의 은 및 필수적으로 잔부가 주석으로 이루어진 이원의 주석-은 코팅이다. 코팅은 225℃ 이상의 녹는점을 가지는 가지며, 이것이 유리하다.

요구된다면, 비스무스, 실리콘, 구리, 마그네슘, 철, 니켈, 망간, 아연, 안티모니 및 그의 혼합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 경화제 요소를 본 발명의 주석-은 코팅의 또 다른 실시예에 존재시켜 코팅의 경도 성질을 증가시킨다. 적어도 하나의 경화제 요소가 존재할 때, 전체 5.0 중량% 이하의 유효량 및 바람직하게 전체 0.1∼5.0 중량%의 양이 존재한다. 특히 경화제 요소 및 선택된 요소는 코팅의 전기적 저항 성질을 증가시키기에 충분한 유해산소를 생성시키는 양으로 존재하지 않는다. 예를 들어, 코팅내에서 마그네슘 및 구리와 같은 상당한 양의 산소를 생성시키는 요소의 사용을 피한다.

본 발명의 주석-은 코팅은 본 분야에서 알려진 적절한 기술을 사용하여 기질 물질에 적용시킨다. 그러나 주석-은 코팅을 비-전기도금화 기술을 사용하여 기질 물질에 적용시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 발명의 코팅은 기질 물질을 최소 500 ^oF 의 온도, 바람직하게 500∼900 ^oF의 온도가 유지되는 주석-은 배양액에 담금질하여 형성시킨다. 바람직한 실시예의 배양액은 용융된 주석 및 은을 포함하고 1.0∼20 중량%, 바람직하게 2.0∼15 중량%, 가장 바람직하게 3.0∼10 중량%의 은 및 필수적으로 잔부가 주석으로 구성된 조성물을 가진다. 상기 배양액에 담금질된 기질 물질은 금속의 연속판이거나 전기 또는 전자 연결장치의 구체적 타입을 형성하는 프리-스템프된(pre-stamped) 여러개의 금속이다. 선택적으로, 코팅된 기질 물질은 배양액으로부터 제거된 후 특정한 타입의 전기 또는 전자 연결장치로 처리된다. 예를 들어, 코팅된 기질 물질은 배양액으로부터 제거된 후 특정한 타입의 전기 또는 전자 연결장치로 스탬프(stamp)되어진다.

임의로, 코팅 배양액은 또한 5.0 중량% 이하, 바람직하게 0.1∼5.0 중량%의 유효량의 비스무스, 실리콘, 구리, 마그네슘, 철, 니켈, 망간, 아연, 안티모니 및 그의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 경화제 요소를 포함한다. 예를 들어, 배양액은 0.1∼1.5 중량%의 구리를 포함한다.

상기에서 기술된 바와 같이, 배양액에 담금질된 기질 물질은 기질 물질의 코일(coil)과 같이 바람직한 형태를 가진다. 기질 물질은 본 분야에 알려진 적절한 시스템을 사용하여 연속적으로 또는 불연속적으로 배양액에 통과시킨다. 더욱이, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 코팅된 기질 물질은 0.2∼10 초동안 배양액에 내재되어 0.00001"∼0.001"의 두께를 가진 코팅을 형성한다.

상기 특정한 양의 주석에 은을 첨가하여 경화된 코팅 표면을 가진 코팅을 형성할 수 있음을 발견하였다. 이러한 것은 표면이 더욱 단단할수록 그것의 주기 수명이 더욱 길어질 수 있어 바람직하다. 상기 기술된 바와 같이, 순수한 주석 코팅은 접지 저항이 10 밀리옴(milliohms)의 표준 이상으로 상승하기 전에 170 주기의 주기 수명을 갖는다. 주석에 2.0 중량%의 은 첨가로 인하여, 주기 수명은 접지 저항이 상기 기술된 표준 이상으로 상승하기 전에 250 주기로 증가할 수 있음을 알 수 있다. 또한 주석에 5.0 중량%의 은의 첨가로 인하여, 주기 수명은 접지 저항이 상기 기술된 표준 이상으로 상승하기 전에 900 주기로 증가할 수 있음을 알 수 있다.

또한 코팅에 5.0 중량% 은의 첨가로 인하여, 코팅이 코팅 과정동안 단일 상태(homogeneous state)로 머물 수 있음을 알 수 있다. 다시 말해, 은이 주석으로 부터 분리되지 않는다. 이러한 것은 코팅을 냉각시킨 후에, 은이 떠 있거나 분리되지 않음을 나타낸다.

본 발명의 주석-은 코팅이 순수한 주석 코팅보다 더욱 고가인데도, 그것들은 실질적으로 금 코팅보다 그 비용면에서 낮다. 이렇게, 본 발명의 코팅은 지속적인 경제적 장점을 제공한다.

또한 본 발명의 코팅의 수명 주기가 주석-은 코팅의 형성 후에 기질 물질의 표면에 합성된 탄화수소 계열 수지(grease)와 같은 윤활유를 적용하므로서 더욱 증가함을 알 수 있다. 주석 코팅에 10 중량% 정도의 은을 가진 코팅은 윤활유를 사용할 때 100만 주기의 수명 주기를 가지게 될 것이다-전류 수명 주기 이상으로 지속적인 증가하게 될 것이다.

코팅에서 상기 열거된 양에 은의 첨가는 다른 장점을 가지고 있다. 예를 들어, 은의 존재는 표면 녹는점을 증가시킨다. 더욱이, 은의 존재는 코팅된 접지 또는 단자의 용해 또는 아크 현상을 제거하는데 도움이 된다. 이것은 자동차용 파워 소스(power source)가 42 볼트 시스템까지 증가하기 때문에 매우 바람직한 결과이다.

본 발명에 따라 형성된 코팅은 또한 은 설파메이트(silver sulfamate) 및 유해 산소가 전혀 존재하지 않는다.

본 발명의 코팅에 있어서 다른 장점들은 코팅에서 무기물질의 부재, 코팅과 기질 물질사이에 강한 금속 결합의 존재, 공구 수명을 향상시키는 증가된 매끄러움, 및 15.6 % IACS를 초과한 우수한 전기적 전도성 성질의 존재를 포함한다. 예를 들어 95% 주석 - 5% 은 코팅은 16.6 % IACS의 전기적 전도성을 가지고 있으며, 90% 주석 - 10% 은 코팅은 20 % IACS 이상의 전기적 전도성을 가지고 있다. 더욱이, 코팅을 형성시키는 배양액에 광택제(brightener)를 첨가할 필요가 없다.

본 발명의 코팅에 의해 제공된 개선을 설명하기 위해, 샘플들은 순수한 주석으로 코팅된 합금 4252로서 나타내는 상업적으로 유용한 구리 합금으로부터 형성된 기질, 98 중량% 주석 및 2 중량% 은으로 코팅된 동일한 물질로 부터 형성된 기질, 95 중량% 주석 및 5 중량% 은으로 코팅된 동일한 물질로부터 형성된 기질, 및 90 중량% 주석 및 10 중량% 은으로 코팅된 동일한 물질로 부터 형성된 기질을 함유한 본 발명의 방법에 의해 제조되었다. 상기 샘플들을 저항이 10 밀리옴까지 증가하기 전의 주기 및 저항 값을 측정하기 위해 테스트(test)하였다. 상기 테스트는 순수한 주석 코팅된 기질이 10 밀리옴에 도달하기 전에 평균 289 주기이며 10.09∼10.88의 저항값을 가지고 있음을 나타내었다. 또한 상기 테스트는 98-2 코팅이 452 주기의 평균 주기 수명 및 10.16∼10.74의 저항값을 가지고 있으며, 95-5 코팅은 399 주기의 평균 주기 수명 및 10.11∼10.82의 저항값을 가지고 있으며; 90-10 코팅은 157 주기의 평균 주기 수명 및 10.09∼10.83의 저항값을 가지고 있다. 또한 코팅내의 은 함량이 증가함에 따라 코팅의 녹는점이 증가함을 나타내고 있다. 예를 들어, 순수한 주석 코팅은 231℃의 녹는점을 가지고 있으며, 95-5 주석-은 코팅은 245∼253℃의 녹는점을 가지고 있으며, 90-10 주석-은 코팅은 310℃의 녹는점을 가지고 있다.

다른 테스트는 순수한 주석 코팅과 비교하여 본 발명에 의한 주석-은 코팅의 경도를 측정하기 위하여 수행하였다. 상기 테스트는 은의 첨가에 의해 주석-계열 필름의 자국(indentation) 경도에 미치는 영향을 측정하기 위해 미세자국(nanoindentation)법을 이용하여 수행하였다. 이를 수행하기 위해 테스트 샘플을 구리 합금 기질에 순수한 주석 코팅, 구리 합금 기질에 98 중량% 주석 - 2 중량% 은 코팅, 구리 합금 기질에 95 중량% 주석- 5 중량% 은 코팅, 및 구리 합금 기질에 90 중량% 주석 - 10 중량% 은 코팅을 제조하였다. 각각의 주석 계열 코팅은 약 3000 ㎚ 두께이다. 기질로부터 간섭(interference)을 제거하기 위하여, 주석 계열 코팅에 대한 최대 자국 깊이는 코팅 두께의 33 % 이하로 하였다. 적어도 3 자국 테스트(three indentation test)는 주석 계열 코팅을 가진 각 샘플에서 수행하였다.

주석 계열 필름들의 경도 실험 결과는 코팅내에 은 함량이 증가할수록 경도가 증가하는 것으로 나타나고 있다. 순수한 주석 코팅을 위한 자국 경도는 0.3 GPa이며, 98-2 주석 코팅, 95-5 주석 코팅 및 90-10 주석 코팅을 위한 경도는 0.32∼0.41 GPa이다. 도면은 각각의 주석-은 코팅에 대한 경도 범위를 나타낸 것이다. 상기 테스트는 본 발명에 의한 주석-은 코팅을 사용하여 얻어진 경도의 향상을 명확하게 나타내고 있다.

본 발명의 코팅이 자동차 장치에 관련하여 기술된 것인바, 본 분야의 기술자들에 의해 다른 전기적 접지 또는 전기적 단자 환경에서 유용함을 명확히 할 수 있다.

이것은 상기에서 설명한 목적, 방법 및 장점을 모두 만족시킨 주석-은 코팅을 제공함을 명확히 할 수 있다. 본 발명이 특정의 실시예에 대하여 기술한 바, 다른 방안, 변형 및 변화는 상기 명세서를 읽을 수 있는 본 분야의 기술자들에 의해 명확히 할 수 있다. 따라서, 확장된 청구항의 넓은 관점에 따라 각 방안 변형 및 변화를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 경제적으로 유리한 전기적 접지의 형성에 사용할 수 있으며 자동차의 전기적 접지의 작용하에 환경의 스트레스(stesses)에 내성을 가질 수 있는 코팅을 형성한다.

도 1은 본 발명에 의한 주석-은 코팅을 순수한 주석 코팅과 함께 비교한 경도 실험 결과를 나타낸 것이다.

Claims (21)

1. 전기적으로 전도성인 물질; 및 상기 전기적으로 전도성인 물질의 적어도 일부에 형성된 코팅을 포함하고, 상기 코팅이 주석과 3.0~20 중량%의 은으로 필수적으로 이루어지고 0.00001~0.001 인치 범위의 두께를 갖는, 짝을 이루는 전기적 연결장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 코팅에 존재하는 은의 함량이 3.0∼10 중량%인 것을 특징으로 하는 전기적 연결장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 코팅이 0.00001∼0.001 인치 범위의 두께를 가지고, 0.32∼0.41 Gpa 범위의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 전기적 연결장치.
5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅이 비-전기도금된 코팅인 것을 특징으로 하는 전기적 연결장치.
6. 제 1항에 있어서, 3.0∼20 중량%의 은과 선택적으로 5.0 중량% 이하 유효량의 비스무스, 실리콘, 구리, 마그네슘, 철, 니켈, 망간, 아연, 안티모니로 구성된 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 원소 및 주석 잔부로 필수적으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기적 연결 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 원소가 0.1 중량%에서 유해 산소를 형성시키지 않는 양까지의 범위로 존재하는 것을 특징으로 하는 전기적 연결 장치.
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서, 상기 전기적으로 전도성인 물질이 철 계열 물질, 비-철 계열 물질 또는 구리-텔루리윰 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 연결 장치.
10. 삭제
11. 코팅되어질 전기적으로 전도성인 기질 물질을 준비하는 단계;

    3.0∼20 중량%의 은 및 주석으로 필수적으로 구성된 액을 제조하는 단계;

    상기 액에 상기 기질 물질을 담금질하여 상기 기질 물질에 3.0∼20 중량%의 은 및 주석으로 필수적으로 구성되고 0.00001~0.001인치의 두께를 갖는 코팅층을 형성시키는 단계; 및

    코팅된 기질 물질로 전기적 연결 장치를 형성하는 단계를 포함하는, 짝을 이루는 전기적 연결장치의 제조 방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 액의 제조 단계가 3.0∼20 중량%의 은, 5.0 중량% 이하 유효량의 비스무스, 실리콘, 구리, 마그네슘, 철, 니켈, 망간, 아연, 안티모니로 구성된 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 원소 및 주석 잔부로 필수적으로 이루어진 액을 제조하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
13. 삭제
14. 제 11항 또는 12항에 있어서, 상기 액의 제조 단계가 3.0∼10 중량%의 은을 함유한 액을 제조하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
15. 제 11항 또는 12항에 있어서, 추가로 상기 담금질 단계 동안 260℃ 이상의 온도에서 상기 액을 유지시키는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
16. 제 15항에 있어서, 상기 유지 단계가 상기 담금질 단계 동안 260∼482℃의 온도에서 상기 액을 유지시키는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
17. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 상기 담금질 단계가 상기 액을 통하여 상기 기질 물질을 연속적으로 통과시키는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조 방법.
18. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 상기 담금질 단계가 상기 액을 통하여 상기 기질 물질을 불연속적으로 통과시키는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조 방법.
19. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 상기 담금질 단계가 한다발의 상기 기질 물질을 액에 담그고, 상기 다발을 충분한 시간동안 상기 액에 유지시켜 상기 코팅을 형성시키는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
20. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 추가로 0.2∼10 초 동안 상기 액에 내재되어 있는 상기 기질 물질을 잔류시키는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조 방법.
21. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 추가로 상기 담금질 단계 후 상기 기질 물질의 표면에 윤활유를 적용시키는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조 방법.