KR100999674B1

KR100999674B1 - 커넥터 단자용 압연판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100999674B1
Application number: KR1020080063367A
Authority: KR
Inventors: 정해원
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-12-08
Also published as: KR20100003461A

Abstract

본 발명은 기지층에 새로운 표면 적층구조를 적용하여 마모 부식을 효과적으로 방지함과 동시에 마찰력을 저감시킬 수 있도록 개발된 커넥터 단자용 압연판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 기술구성은, 기지층(10a)에 니켈 하지도금층(10b), 구리 도금층(10c) 또는 주석 도금층(10d)이 하나 또는 둘 이상 적층되어 이루어진 압연판(10)의 표면에 미세한 크기의 패턴홀(11)이 압연 형성되고, 이 패턴홀(11)에 구리-주석 금속간 화합물(18)이 융착되어 구성된다.

차량용 커넥터, 압연판, 구리-주석 금속간 화합물, 리플로우 가열

Description

커넥터 단자용 압연판 및 그 제조방법{ROLLING PLATE FOR CONNECTOR TERMINAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 커넥터 단자용 압연판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기지층에 새로운 표면 적층구조를 적용하여 마모 부식을 효과적으로 방지함과 동시에 마찰력을 저감시킬 수 있도록 개발된 커넥터 단자용 압연판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현재 자동차의 전장화가 진행됨에 따라 차량용 커넥터의 단자 핀 수가 증가하고 있다. 커넥터 당 단자 핀 수를 무작정 늘일 수 없기 때문에 증가된 핀 수를 처리하기 위해서는 커넥터의 갯수를 증가시키거나, 단자 접촉부의 마찰력을 저감시켜 커넥터 당 단자 수를 증가시킬 수 있도록 하여야 한다.

또한, 차량용 커넥터 중에서 특히 엔진 룸에 사용되는 커넥터들은 약 150℃ 정도의 고온에 노출되며 정차 시에는 주위 환경에 따른 -40℃까지도 내려가게 되므로 상당한 열충격을 받기도 한다. 이러한 열충격으로 인해 단자 핀은 수축과 팽창을 반복하게 되고 이로 인해 접촉부에 미세한 슬립을 발생시킨다. 그리고, 엔진 룸에서 발생하는 진동도 단자 핀의 미세 슬립의 원인이 되고 있다.

단자 접촉부에 미세한 슬립이 발생하면 가장 문제가 되는 것은 미세 슬립에 의한 마모 부식(Fretting Corrosion)이다. 도 1에는 이러한 미세 슬립에 의한 마모 부식의 과정이 개략적으로 도시되어 있다.

먼저, 각 단자 핀(1,2)의 표면에는 주석 산화 피막(3)이 형성되는데, 양 단자 핀(1,2)이 접촉되는 부분에는 마찰로 인해 주석 산화 피막이 미세하게 파괴되는 부분(4)이 발생한다. 이 때, 단자 접촉부에 미세한 거리(t) 사이에 슬립이 발생하게 되면 파괴된 주석 산화 피막의 부근에 마모에 의해 새로운 주석 산화물 또는 구리 산화물(5)이 생성된다. 미세 슬립이 일정 시간 동안 반복적으로 일어나면 단자 핀(1,2)의 접촉부 표면이 상기 주석 또는 구리 산화물(5)로 채워져 통전 불량 등이 발생하게 된다.

이러한 미세 슬립에 의한 마모 부식은 커넥터 불량을 일으키는 고질적인 원인으로서, 단자 접촉부에 산화물이 쌓이게 되면 단자 핀의 간헐적인 접촉 불량의 문제가 발생할 뿐만 아니라 이로 인해 차량 전장품이 비정상적으로 작동하거나 각종 센서의 경고등이 점등되는 등 차량 운행을 방해하는 여러 가지 문제점을 발생시키고 있다.

본 발명은 이러한 차량용 커넥터의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 차량용 커넥터에 사용되는 압연판을 제조함에 있어서 그 표면 적층구조를 개선하여 마모 부식에 대한 저항력을 향상시킴과 동시에 단자 접촉에 따른 마찰력을 저감시킬 수 있는 커넥터 단자용 압연판 및 그 제조방법을 마련하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 커넥터 단자용 압연판은, 기지층에 니켈 하지도금층, 구리 도금층 또는 주석 도금층이 하나 또는 둘 이상 적층되어 이루어진 압연판의 표면에 미세한 크기의 패턴홀이 압연 형성되고, 이 패턴홀에 구리-주석 금속간 화합물이 융착되어 구성된다.

여기서, 상기 패턴홀은 지름이 10 ~ 100㎛이고, 깊이가 1 ~ 5㎛인 것이 바람직하며, 상기 구리-주석 금속간 화합물은 구리에 주석이 2 ~ 7.5 중량% 혼합된 구리-주석 혼합분말이 합금된 것으로 구성하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기와 같이 구성된 상기 커넥터 단자용 압연판을 가공하여 만든 차량용 커넥터 단자를 포함한다.

한편, 본 발명에 따른 커넥터 단자용 압연판의 제조방법은, 기지층에 니켈 하지도금층, 구리 도금층 또는 주석 도금층을 하나 또는 둘 이상 적층시켜 압연판을 제조하는 단계; 상기 압연판을 미세 돌기가 표면에 형성된 압연롤을 이용하여 마이크로 패터닝 압연을 실시함으로써 패턴홀을 형성하는 단계; 상기 압연판의 표면에 구리-주석 혼합분말을 공급하여 상기 패턴홀에 충진시킨 다음 스크린을 통해 잉여 분말을 제거하는 단계; 및 잉여 분말이 제거된 압연판을 리플로우 가열함으로써 상기 패턴홀에 충진된 구리-주석 혼합분말을 합금시켜 구리-주석 금속간 화합물로 융착시키는 단계;로 이루어진다.

여기서, 상기 패턴홀은 지름이 10 ~ 100㎛이고, 깊이가 1 ~ 5㎛가 되도록 형성하는 것 바람직하며, 구리-주석 혼합분말은 구리에 주석이 2 ~ 7.5 중량% 혼합된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 리플로우 가열은 250 ~ 600℃ 온도 범위에서 5 ~ 35초 간 실시하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 커넥터 단자용 압연판과 그 제조방법에 따르면, 커넥터 단자 핀의 마찰력과 미세 슬립에 의한 마모 부식을 동시에 감소시켜 준다.

이와 같이 마찰력 및 마모 부식성이 감소된 커넥터용 압연판을 사용하면 내구 수명을 크게 연장시킬 수 있고, 커넥터 당 핀 수를 증가시켜 커넥터의 제품 단가를 절감할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 커넥터 단자용 압연판을 사용하면 커넥터 형상의 변화를 가져오지 않으므로, 기존의 단자와 100% 호환이 가능하다.

차량용을 포함해 대부분의 커넥터를 제조하는데 사용되는 압연판은 주로 전기 도금 또는 리플로우 도금 등을 이용하여 만들어진다. 전기 도금은 1980년대 시작된 도금법이고, 리플로우 도금은 1990년대부터 현재까지 일반적으로 사용되고 있는 도금법이다.

전기 도금은 내부에 존재하는 기공이 문제가 되어 장시간 사용할 경우 산화발생으로 인해 접촉저항이 증가하는 문제가 있었다. 이 문제를 개선하기 위하여 1990년부터는 주석의 녹는점(230℃)까지 가열하여 표면을 재응고시키는 리플로우 도금을 사용하고 있다.

그러나, 종래의 리플로우 도금의 경우 압연판의 표면이 주석만으로 도금되기 때문에 삽입할 때 마찰력이 증가된다. 그리고, 미세 슬립에 의한 마모가 많이 발생하게 되고, 이렇게 마모된 가루들이 산화되어 통전 불량을 일으키게 된다.

접촉면의 산화를 방지하기 위하여 압연판의 표면에 금을 도금하는 경우도 있다. 그러나 금은 내산화성이 우수하여 어느 정도 마모 부식을 개선하는 효과가 있기는 하나, 경도가 낮은 금의 특성 상 단자 체결시의 마찰로 인해 도금층이 쉽게 벗겨져 결국 기지층이 드러나게 되기 때문에 장기적으로는 마모 부식의 개선 효과가 크기 않았다.

본 발명은 압연판의 적층 구조를 개선하여 마찰력을 저감시킴과 동시에 내마모 부식성을 향상시킴으로써 커넥터용 압연판의 고질적인 문제점을 한꺼번에 해결한 것이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 기술구성을 보다 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 커넥터 단자용 압연판의 제조방법을 나타낸 순서도이고, 도 3은 커넥터 단자용 압연판의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 4는 커넥터 단자용 압연판의 단면 구조를 나타낸 도면이다.

먼저, 본 발명에 따른 커넥터 단자용 압엽판은 기지층(10a)에 니켈 하지도금층(10b), 구리 도금층(10c) 또는 주석 도금층(10d)이 하나 또는 둘 이상 적층되어 이루어진 압연판(10)의 표면에 미세한 크기의 패턴홀(11)이 압연 형성되고, 이 패턴홀(11)에 구리-주석 금속간 화합물(18)이 융착되어 구성된다.

상기 기지층(10a)은 통상 황동 또는 인황동으로 구성되나, 커넥터 단자의 특성에 따라 여러 가지가 사용될 수 있다.

상기 기지층(10a)에 니켈 하지도금(10b), 구리 도금층(10c) 또는 주석 도금층(10d)이 하나 또는 둘 이상이 적층된다. 상기 도금층들은 커넥터 단자의 통전성과 마찰 특성을 고려해 예전부터 사용되어 온 것들이므로, 이 중 하나 또는 둘 이상이 적층된 형태이면 어느 것이든 본 발명의 기술적 사상에 포함된다 할 것이다.

본 발명에 따르면 상기 도금층이 적층된 압연판(10)의 표면에 미세한 크기의 패턴홀(11)이 압연 형성되고, 이 압연 형성된 패턴홀(11)의 내부에는 구리-주석(Cu-Sn) 금속간 화합물(18)이 융착된다.

상기 구리-주석 금속간 화합물(18)은 경도가 매우 높아 압연판의 표면에 일정 간격으로 분포하게 되면 표면 도금층의 미세 슬립을 막아 마모 부식을 효과적으로 방지해준다. 또한, 구리-주석 간 금속간 화합물(18)은 마찰 계수가 낮아 매트릭 스를 이루는 도금층의 전체 마찰력을 저감시켜 준다. 만약, 구리-주석 금속 화합물(18)로 압연판(10)의 표면 전체를 도포하게 되면, 마찰력 저감, 마모 부식 방지 등의 효과는 어느 정도 거둘 수 있으나, 접촉 저항이 크게 증가하므로 단자로서 사용할 수가 없게 된다.

본 발명자는 이러한 점을 고려하여 종래의 표면 도금층을 그대로 이용하면서 여기에 구리-주석 금속간 화합물(18)을 마이크로 패터닝(micro patterning) 압연을 통해 미세하게 분포시킴으로써 마찰력 저감 및 마모 부식 방지를 동시에 달성할 수 있도록 한 것인 바, 이것이 본 발명의 가장 특징적인 기술구성이라 할 것이다.

위 목적을 달성하기 위하여 상기 구리-주석 금속간 화합물(18)은 구리(Cu)에 주석(Sn)이 2 ~ 7.5 중량% 혼합된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 주석이 2 중량% 미만으로 혼합되면 후속 공정인 리플로우 가열 단계에서 주석 도금층과의 융착이 잘 이루어지지 않아 표면 결합력이 저하되고, 7.5 중량%를 초과하면 주석의 함량이 과포화되어 경도가 높으면서 전기 전도도도 우수한 Cu₆Sn₅ 상을 얻기가 어렵다. 이러한 점에서 볼 때, 주석은 4.5 ~ 5.5 중량%가 혼합되는 것이 가장 바람직하다.

또한, 상기 구리-주석 금속간 화합물(18)이 융착되는 패턴홀(11)은 지름(d)이 10 ~ 100㎛이고, 깊이(h)가 1 ~ 5㎛인 것이 바람직하다. 패턴홀(11)의 지름이 10㎛ 미만이 되면 구리-주석 금속간 화합물에 의한 마찰력 감소 효과가 나타나지 않고, 100㎛를 초과하게 되면 압연판의 표면에 전기 전도도가 비교적 낮은 구리-주석 금속간 화합물의 비중이 너무 높아져 통전성이 저하된다.

한편, 상기 패턴홀(11)의 깊이가 1㎛ 미만이면 통상 0.1㎛ 정도의 크기로 공급되는 구리-주석 혼합분말이 충분히 적층되지 않아 금속간 화합물로 융착되지 아니하고, 5㎛를 초과하게 되면 마이크로 패터닝에 의한 압연이 매우 어렵게 된다.

패턴홀(11)의 간격은 100 ~ 1,000㎛로 제어되고, 패턴홀(11)의 배열 패턴은 마찰력 저감과 미세 슬립에 의한 마모 부식 방지 중 어느 것을 더 중요하게 생각하느냐에 따라 달라질 수 있다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 커넥터용 압연판의 제조방법은 다음과 같이 이루어진다.

먼저, 기지층(10a)에 니켈 하지도금층(10b), 구리 도금층(10c) 또는 주석 도금층(10d)을 하나 또는 둘 이상 적층시켜 압연판(10)을 제조한다(S10 ~ S40). 기지층(10a)으로는 황동 또는 인황동이 많이 사용되나 다른 것도 사용 가능하며, 상기 도금층은 커넥터의 특성에 따라 그 적층 배열이 달라질 수 있음은 이미 상기한 바와 같다. 다만, 구리-주석 금속간 화합물과의 결합력을 높이기 위하여 압연판(10)의 가장 바깥쪽 표면은 주석 도금층(10d)이 되도록 하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 황동 또는 인황동 기지층(10a)에 니켈을 0.1 ~ 0.5㎛로 하지도금한 다음 구리를 0.1 ~ 0.2㎛로 도금한다. 이 후 주석을 0.4 ~ 2㎛로 최종 도금한다.

위와 같이 도금 처리된 압연판(10)을 미세 돌기가 표면에 형성된 압연롤(13)을 이용하여 마이크로 패터닝 압연을 실시함으로써 패턴홀(11)을 형성한다(S50). 마이크로 패터닝 압연에 의하면, 일정한 간격과 패턴에 따라 미세 돌기가 형성된 압연롤(13)을 사용하여 압연비가 거의 1:1이 되도록 압연함으로써 마이크로 크기의 미세한 패턴홀(11)을 표면에 형성한다. 이 때 패턴홀(11)이 형성된 단면 구조는 도 4의 (b)와 같다.

다음으로, 상기 압연판(10)의 표면에 구리-주석 혼합분말(15)을 분말 공급호퍼(14)를 통해 공급함으로써 상기 패턴홀(11)에 충진시킨 다음 스크린(16)을 통해 잉여 분말을 제거한다(S60,S70)). 앞서 설명한 바와 같이, 상기 패턴홀(11)은 1 ~ 5㎛의 깊이로 형성되므로 통상 0.1㎛ 정도의 크기로 공급되는 구리-주석 혼합분말은 상기 패턴홀(11) 안에서 융착되는데 필요한 양만큼 충분히 충진된다.

마지막으로, 상기 잉여 분말이 제거된 압연판(10)을 가열로(17)를 통해 리플로우 가열함으로써 상기 패턴홀(11)에 충진된 구리-주석 혼합분말(15)을 합금시켜 구리-주석 금속간 화합물(18)로 융착시킨다(S80)

리플로우 가열은 주석의 녹는점(230℃)까지 가열하여 표면을 재응고시키는 도금방법으로서, 이에 의해 주석 도금층(10d)와 패턴홀(11)에 충진된 구리-주석 금속간 화합물(18)이 융착되어 견고히 결합되는 것이다.

이때, 상기 리플로우 가열은 250 ~ 600℃ 온도 범위에서 5 ~ 35초 간 실시한다. 가열 온도가 250℃ 미만이 되면 납의 녹는점(240℃)와 온도 차이가 크지 않아 융착이 잘 이루어지지 않고, 600℃를 초과하면 기지층(10a)을 이루는 황동 또는 인황동이 녹기 시작하므로 바람직하지 않다. 또한, 가열 시간이 5초 미만이 되면 구리-주석 혼합분말이 충진된 패턴홀(12) 주위가 충분히 가열되지 않아 융착이 일어나지 아니하고, 35초를 초과하게 되면 표면 산화가 지나치게 진행되므로 바람직하 지 않다.

본 발명의 효과를 입증하기 위해 마찰계수와 마모 부식에 따른 접촉 저항에 관한 2가지 실험을 실시하였다.

먼저, 종래에 주석 도금층이 코팅된 압연판(비교예)과 본 발명에 따라 구리-주석 금속간 화합물이 일정 패턴으로 융착된 압연판(실시예)를 마련함에 있어, 각각 수형 커넥터는 50×10mm로 만들고, 암형 커넥터용 시편은 50×10mm 시편에 지름 2mm의 반구 모양의 형상을 프레스로 만들어 실험을 실시하였다.

마찰계수 실험은 하중 3N으로 설정하고 실험 변위는 10mm, 속도는 50mm/s로 설정하여 각각 10회 실시하였는바, 그 결과는 하기 표 1과 같다.

횟 수	마찰 계수
횟 수	비교예	실시예
1	5.1	3.3
2	5.7	3.35
3	5.75	3.41
4	5.63	3.6
5	5.3	3.2
6	5.21	3.5
7	5.3	3.1
8	5.42	3.2
9	5.56	3.3
10	5.9	3.24
평균	5.49	3.32

표 1에서 보는 바와 같이, 비교예의 커넥터 단자는 마찰계수가 5.49인데 반해, 실시예의 커넥터 단자는 마찰계수가 3.32로 약 40%가 감소하였음을 알 수 있다.

마모 부식 실험은 상기 마찰 계수 실험과 동일한 시편을 가지고, 하중 2N, 주기 5Hz, 실험 변위 50㎛로 설정하여 실시하였는 바, 그 결과는 도 5에 나타나 있다. 실시예의 경우 전체적인 단자의 저항이 낮지만, 접촉저항을 비교하였을 때 비교예가 약 1000 사이클 부근에서 접촉저항이 급격히 상승한 반면, 실시예의 경우 약 2000 사이클 이후에 접촉저항이 급격하게 상승하기 시작하였다. 이에 의해 미세 슬립에 의한 마모 부식이 2배 정도 증가하였음을 알 수 있다.

도 1은 종래의 차량용 커넥터 단자의 마모 부식 과정을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 차량용 커넥터 단자 제조방법의 순서도.

도 3은 본 발명에 따른 차량용 커넥터 단자의 제조 과정을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 차량용 커넥터 단자 압연판의 단면 구조를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 마모 부식 방지 효과를 나타낸 그래프.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※

10: 압연판 10a: 황동 또는 인황동 기지층

10b: 니켈 하지도금층 10c: 구리 도금층

10d: 주석 도금층 11: 패턴홀

12: 구리-주석 혼합분말이 충진된 패턴홀 13: 압연롤

14: 분말 공급호퍼 15: 구리-주석 혼합분말

16: 스크린 17: 리플로우 가열로

18: 구리-주석 금속간 화합물

Claims

기지층(10a)에 니켈 하지도금층(10b), 구리 도금층(10c) 또는 주석 도금층(10d)이 하나 또는 둘 이상 적층되어 이루어진 압연판(10)의 표면에 미세한 크기의 패턴홀(11)이 압연 형성되고, 이 패턴홀(11)에 구리-주석 금속간 화합물(18)이 융착된 것을 특징으로 하는 커넥터 단자용 압연판.
청구항 1에 있어서,

상기 패턴홀(11)은 지름이 10 ~ 100㎛이고, 깊이가 1 ~ 5㎛인 것을 특징으로 하는 커넥터 단자용 압연판.
청구항 1에 있어서,

상기 구리-주석 금속간 화합물(18)은 구리에 주석이 2 ~ 7.5 중량% 혼합된 구리-주석 혼합분말(15)이 합금된 것을 특징으로 하는 커넥터 단자용 압연판.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 커넥터 단자용 압연판을 가공하여 만든 차량용 커넥터 단자.
기지층(10a)에 니켈 하지도금층(10b), 구리 도금층(10c) 또는 주석 도금층(10d)을 하나 또는 둘 이상 적층시켜 압연판(10)을 제조하는 단계;

상기 압연판(10)을 미세 돌기가 표면에 형성된 압연롤(13)을 이용하여 마이크로 패터닝 압연을 실시함으로써 패턴홀(11)을 형성하는 단계;

상기 압연판(10)의 표면에 구리-주석 혼합분말(15)을 공급하여 상기 패턴홀(11)에 충진시킨 다음 스크린(17)을 통해 잉여 분말을 제거하는 단계; 및

잉여 분말이 제거된 압연판(10)을 리플로우 가열함으로써 상기 패턴홀(11)에 충진된 구리-주석 혼합분말(15)을 합금시켜 구리-주석 금속간 화합물(18)로 융착시키는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 커넥터 단자용 압연판 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 패턴홀(11)은 지름이 10 ~ 100㎛이고, 깊이가 1 ~ 5㎛가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 커넥터 단자용 압연판 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 구리-주석 혼합분말(15)은 구리에 주석이 2 ~ 7.5 중량% 혼합된 것을 사용하는 것을 특징으로 커넥터 단자용 압연판 제조방법.
청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

상기 리플로우 가열은 250 ~ 600℃ 온도 범위에서 5 ~ 35초 간 실시하는 것을 특징으로 하는 커넥터 단자용 압연판 제조방법.