KR102224011B1 - 전기 접점 소재 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 의한 전기 접점 소재는 산화물 13 내지 17 중량% 및 잔부 Ag를 포함하는 은-산화물 복합 소재를 포함하는 양극(+) 접점 및 양극(+) 접점에 대향하여 배치되며, Au, Ag, AgNi, AgCu 또는 산화물 3 내지 10 중량% 및 잔부 Ag를 포함하는 은-산화물 복합 소재를 포함하는 음극(-) 접점을 포함한다.

Description

전기 접점 소재{ELECTRICAL CONTACT MATERIAL}
전기 접점 소재에 관한 것이다. 구체적으로 양극(+) 접점과 음극(-) 접점의 소재를 달리하여 내구성을 향상시킨 전기 접점 소재에 관한 것이다.
대향식 스위치 이른바 릴레이는 1쌍의 고정 접점과 가동 접점으로 구성되어 있다. 스위치의 입력을 받은 전자석이 작동하여 가동접점을 움직이는 방식으로 고정접점과 접촉하여 회로를 열고 닫거나, 전환하는 기능을 갖는다.
일정 부하 이상을 사용하는 부품을 구동할 경우 릴레이 접점이 탈착을 반복하기 때문에 전기접점 사이에서 아크와 열이 발생하게 된다.
일반적인 DC 전류를 사용할 경우 접점이 접촉할 때마다 접점의 구성 성분인 금속 원자의 전이가 발생하여, 한쪽 접점(- 접점) 에는 돌기를, 반대편 접점 (+ 점점) 에는 움푹 파인 형상을 형성하게 된다. 이와 같은 돌기의 형성이 계속되게 되면 접점의 형태가 불량해지게 되고, 접점간 융착 또는 돌기와 홈사이의 락킹에 의한 비정상적 접촉 현상이 발생할 수 있으며, 부품의 계속 작동 문제 또는 작동 불가 문제를 유발할 수 있다.
돌기 성장이 발생하지 않는 경우에도 양 접점의 성분이 적합하지 않을 경우 릴레이 작동 시 아크 열, 또는 통전 열에 의한 접점 간 융착이 발생할 수 있다. 이와 같은 현상은 대향식 스위치가 소형화 되면서 접점의 두경이 감소하고 접점간 거리가 감소함에 따라 발생 빈도가 높아지고 있다.
표면 접촉저항 증대를 억제함으로써 릴레이 통전 성능 향상시킨 전기 접점 소재를 제공한다. 구체적으로 양극(+) 접점과 음극(-) 접점의 소재를 달리하여 내구성을 향상시킨 전기 접점 소재를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의한 전기 접점 소재는 산화물 13 내지 17 중량% 및 잔부 Ag를 포함하는 은-산화물 복합 소재를 포함하는 양극(+) 접점 및 양극(+) 접점에 대향하여 배치되며, Au, Ag, AgNi, AgCu, 또는 산화물 3 내지 10 중량% 및 잔부 Ag를 포함하는 은-산화물 복합 소재를 포함하는 음극(-) 접점을 포함한다.
은-산화물 복합 소재는 산화물로서, 주석 산화물, 주석-인듐 산화물, 아연 산화물 또는 비스무스 산화물을 포함할 수 있다.
은-산화물 복합 소재는 은 기지 및 은 기지에 분포된 산화물 입자를 포함할 수 있다. 산화물 입자의 평균 입경은 0.1 내지 0.7㎛일 수 있다.
양극(+) 접점은 양극(+) 접점의 표면에 위치하며, 산화물을 20 내지 60 중량% 포함하는 산화층을 포함할 수 있다. 산화층의 두께는 1 내지 30㎛일 수 있다.
음극(-) 접점은 AgNi를 포함하고, Ni를 0 중량% 초과 및 30 중량% 이하로 포함할 수 있다.
음극(-) 접점은 AgCu를 포함하고, Cu를 0 중량% 초과 및 60 중량% 이하로 포함할 수 있다.
음극(-) 접점은 은-산화물 복합 소재를 포함하고, 음극 접점의 은-산화물 복합 소재는 산화물을 5 내지 10 중량% 및 잔부 Ag를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 양극 접점 및 음극 접점을 다른 소재를 사용함으로써, 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 접점 소재를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 전기 접점 소재에서 아크 발생에 의해 양이온화된 금속 원자가 음극 접점으로 이동하는 모습을 개략적으로 형상화한 모식도이다.
도 3은 양극 접점에서 산화층이 형성되는 과정을 개략적으로 형상화한 모식도이다.
도 4는 실시예 1의 전기 접점 소재를 200,000 회 작동시킨 후 양극 접점의 단면의 사진이다.
도 5는 실시예 1의 전기 접점 소재를 200,000 회 작동시킨 후 음극 접점의 단면의 사진이다.
도 6은 비교예 3의 전기 접점 소재를 200,000 회 작동시킨 후 양극 접점의 단면의 사진이다.
도 7은 비교예 3의 전기 접점 소재를 200,000 회 작동시킨 후 음극 접점의 단면의 사진이다.
도 8은 실시예 1의 전기 접점 소재 중 양극 접점의 단면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 9는 실시예 4의 전기 접점 소재 중 양극 접점의 단면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 10는 비교예 1의 전기 접점 소재 중 양극 접점의 단면의 주사 전자 현미경 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 접점 소재를 개략적으로 나타낸다.
도 1을 참고하면 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 접점 소재(100)는 양극 접점(10) 및 양극 접점(10)에 대향하여 배치되는 음극 접점(20)을 포함한다. 도 1의 전기 접점 소재(100)는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 전기 접점 소재(100)의 각 구성별로 상세하게 설명한다.
도 2에 나타나듯이, DC 부하에서, 접점 전이에 의한 돌기 형성은 방향성을 가지게 된다. 주로 양극(+) 접점(10)의 성분이 음극(-) 접점(20) 쪽으로 이동하게 되는데, 이와 같은 현상의 주된 이유는 아크 발생에 의해 금속 원자가 전자와 충돌하게 될 경우 양이온화된 금속 원자가 음극 접점(20) 쪽으로 이동하기 때문이다.
이와 같은 접점 소재 전이의 방향성으로 인해 양극 접점(10)과 음극 접점(20) 소재의 물성이 달라질 필요가 있다. 구체적으로 양극 접점(10)의 경우 내아크성(소모량이 작을 것), 내융착성이 가장 중요한 요소가 되고, 음극 접점(20))의 경우 내융착성, 낮은 접촉저항이 우선적으로 필요하다.
전술하였듯이, 양극 접점(10)은 내아크성(소모량이 작을 것), 내융착성이 가장 우선적으로 요구된다. 이를 위해 양극 접점(10)은 은-산화물 복합 소재를 포함한다. 구체적으로 은-산화물 복합 소재는 산화물을 13 내지 17 중량% 및 잔부 은(Ag)를 포함한다.
도 2와 관련하여 상술하였듯이, 아크 발생에 의해 금속(Ag) 원자가 전자와 충돌하게 될 경우 양이온화된 금속(Ag) 원자(11)가 음극 접점(20) 쪽으로 이동하게 된다. 그러나, 본 발명의 일 실시예와 같이 양극 접점(10)이 은-산화물 복합 소재를 포함할 경우, 복합 소재 내의 산화물(12)은 금속(Ag) 원자(11)에 비해 상대적으로 적게 이동하며, 양이온화된 금속(Ag) 원자가 우선적으로 음극 접점(20) 쪽으로 이동하게 된다. 결국, 양극 접점(10)의 표면부에는 산화물(12)이 다량 잔존하여, 산화층(13)을 형성하게 되며, 이러한 산화층(13)은 금속(Ag) 원자의 추가적인 전이를 방해하게 된다. 도 3은 양극 접점(10)에서 산화층(13)이 형성되는 과정을 개략적으로 형상화한 모식도이다.
은-산화물 복합 소재에서 산화물이 너무 적게 포함되는 경우, 아크에 의한 전이를 억제하는 능력이 떨어지고, 너무 많이 포함되는 경우, 산화층이 과다 형성되어 양극 접점(10)의 접촉저항이 크게 증가한다. 따라서 전술한 범위로 은-산화물 복합 소재 내에 산화물이 포함될 수 있다.
이 때, 산화물이란 주석 산화물(SnO2), 주석-인듐 산화물(SnInOx), 아연 산화물(ZnO), 또는 비스무스 산화물(BiOx)을 포함할 수 있다.
은-산화물 복합 소재는 은 기지 및 은 기지에 분포된 산화물 입자를 포함할 수 있다. 산화물 입자의 평균 입경은 0.1 내지 0.7㎛가 될 수 있다. 산화물 입자의 평균 입경이 너무 작은 경우, 아크에 의한 전이를 억제하는 능력이 떨어질 수 있다. 산화물 입자의 평균 입경이 너무 큰 경우, 양극 접점(10)의 접촉저항이 크게 증가할 수 있다. 따라서 전술한 범위로 산화물 입자의 평균 입경을 제어할 수 있다.
도 3과 관련하여 전술하였듯이, 양극(+) 접점(10)은 양극(+) 접점(10)의 표면에 위치하며, 산화물을 20 내지 60 중량% 포함하는 산화층(13)을 포함한다. 산화층의 두께는 1 내지 30㎛가 될 수 있다.
음극 접점(20)은 전술하였듯이, 내융착성, 낮은 접촉저항이 우선적으로 요구된다. 이를 위해 음극 접점(20)은 Au, Ag, AgNi, AgCu 또는 은-산화물 복합 소재를 포함할 수 있다. 구체적으로 음극 접점(20)이 AgNi를 포함하는 경우, Ni를 0 중량% 초과 및 30 중량% 이하로 포함할 수 있다. 잔부는 Ag이다. Ni의 함량이 너무 많게 되면, 접점의 강도 및 통전성이 크게 하락할 수 있다. 음극 접점(20)이 AgCu를 포함하는 경우, Cu를 0 중량% 초과 및 60 중량% 이하로 포함할 수 있다. Cu의 함량이 너무 많게 되면, 접점의 산화가 발생하기 쉬워질 수 있다. 음극 접점(20)이 은-산화물 복합 소재를 포함하는 경우, 양극 접점(10)에 비해 산화물의 함량이 적은 은-산화물 복합 소재를 포함할 수 있다. 구체적으로 산화물을 3 내지 10 중량% 및 잔부 Ag를 포함할 수 있다. 산화물의 함량이 너무 많을 경우, 접촉저항이 과다하여 접점의 통전성과 내구성이 크게 감소할 수 있다. 더욱 구체적으로 음극 접점(20)의 은-산화물 복합 소재는 산화물을 5 내지 10 중량% 및 잔부 Ag를 포함할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 접점 소재(100)는 각 접점마다 서로 다른 소재를 부착하여, 내구성을 향상시킬 수 있다.
전술한 양극 접점(10) 및 음극 접점(20)은 전술한 소재를 포함하는 표면층 뿐 아니라, 베이스층(30)을 더 포함할 수 있다. 베이스층은 Cu 또는 Cu 합금을 포함할 수 있다. 베이스층은 2개 또는 3개의 클래드 층을 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실험예
하기 표 1에 정리된 것과 같이, 양극 접점과 음극 접점의 소재를 적용하여 전기 접점 소재를 제조하였다. 제조된 전기 접점 소재를 모터 정격 전압(12V) 및 전류(10A)로 작동시켜 저항값이 불안정해지는 시점을 작동횟수로 인정하였다.
각각의 작동횟수를 측정하여 하기 표 1에 정리하였다.
양극(+) 접점 음극(-) 접점 작동횟수
실시예1 AgSnInOx
(산화물 14중량%)
AgCu
(Cu 20중량%)
738,000
실시예2 AgSnInOx
(산화물 14중량%)
AgSnInOx
(산화물 9중량%)
421,800
실시예3 AgSnInOx
(산화물 14중량%)
AgNi
(Ni 10 중량%)
372,500
실시예4 AgZnO
(산화물 14 중량%)
AgCu
(Cu 20중량%)
597,200
실시예5 AgZnO
(산화물 14중량%)
AgNi
(Ni 10 중량%)
342,600
비교예1 AgCu
(Cu 20중량%)
AgCu
(Cu 20중량%)
41,700
비교예2 AgCu
(Cu 20중량%)
AgSnInOx
(산화물 14중량%)
62,180
비교예3 AgSnInOx
(산화물 9중량%)
AgSnInOx
(산화물 9중량%)
180,300
비교예4 AgSnInOx
(산화물 14중량%)
AgSnInOx
(산화물 14중량%)
221,200
비교예5 AgZnO
(산화물 14중량%)
AgZnO
(산화물 14중량%)
198,700
비교예6 AgZnO
(산화물 14중량%)
AgSnInOx
(산화물 14중량%)
123,200
비교예7 AgSnInOx
(산화물 9중량%)
AgCu
(Cu 20중량%)
289,300
표 1에서 나타나듯이, 양극 접점 소재로서, 은-산화물 복합 소재를 사용한 경우, 은 합금을 사용한 비교예 1, 2에 비해 내구성이 우수함을 확인할 수 있다.
또한, 양극 접점 소재로서, 은-산화물 복합 소재를 동일하게 사용하더라도, 산화물의 함량이 적절치 못한 비교예 3 및 비교예 7의 경우, 내구성이 실시예에 비해 열악함을 확인할 수 있다. 또한, 양극 접점 소재로서 은-산화물 복합 소재를 사용하더라도 음극 접점 소재를 동일한 산화물양의 은-산화물 복합 소재를 사용하는 비교예 4 내지 6의 경우, 마찬가지로 내구성이 실시예에 비해 열악함을 확인할 수 있다.
도 4 및 도 5는 실시예 1의 전기 접점 소재를 200,000 회 작동시킨 후 양극 접점 및 음극 접점의 단면의 사진이다. 도 4 및 도 5에서 나타나듯이, 양극 접점 및 음극 접점 모두 특정 부위에서 침식이 과다하게 발생하지 아니하였으며, 비교적 고른 두께를 유지함을 확인할 수 있다.
도 6 및 도 7은 비교예 3의 전기 접점 소재를 200,000 회 작동시킨 후 양극 접점 및 음극 접점의 단면의 사진이다. 도 6 및 도 7에서 나타나듯이, 양극 접점 및 음극 접점 모두 특정 부위에서 침식이 과다하게 발생하여 베이스층이 노출된 것을 확인할 수 있다.
도 8 및 도 9는 실시예 1 및 실시예 4의 전기 접점 소재 중 양극 접점의 단면의 주사 전자 현미경 사진이다. 도 8 및 도 9에 나타나듯이, 양극 접점의 표면부에 산화층이 형성됨(점선으로 표시된 직사각형)을 확인할 수 있다. 이러한 산화층으로 인하여 Ag의 전이를 억제하였음을 확인할 수 있다.
도 10는 비교예 1의 전기 접점 소재 중 양극 접점의 단면의 주사 전자 현미경 사진이다. 실시예와는 달리 산화층이 전혀 형성되지 않았음을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 전기 접점 소재 10: 양극 접점
11: Ag 원자 12: 산화물
13: 산화층 20: 음극 접점
30: 베이스층

Claims (9)

  1. 산화물 13 내지 17 중량% 및 잔부 Ag를 포함하는 은-산화물 복합 소재를 포함하는 양극(+) 접점 및
    상기 양극(+) 접점에 대향하여 배치되며, Au, Ag, AgNi, AgCu, 또는 산화물 3 내지 10 중량% 및 잔부 Ag를 포함하는 은-산화물 복합 소재를 포함하는 음극(-) 접점을 포함하는 전기 접점 소재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 은-산화물 복합 소재는 산화물로서, 주석 산화물, 주석-인듐 산화물, 아연 산화물 또는 비스무스 산화물을 포함하는 전기 접점 소재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 은-산화물 복합 소재는 은 기지 및 상기 은 기지에 분포된 산화물 입자를 포함하는 전기 접점 소재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 산화물 입자의 평균 입경은 0.1 내지 0.7㎛인 전기 접점 소재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극(+) 접점은 상기 양극(+) 접점의 표면에 위치하며, 산화물을 20 내지 60 중량% 포함하는 산화층을 포함하는 전기 접점 소재.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산화층의 두께는 1 내지 30㎛인 전기 접점 소재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 음극(-) 접점은 AgNi를 포함하고, Ni를 0 중량% 초과 및 30 중량% 이하로 포함하는 전기 접점 소재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 음극(-) 접점은 AgCu를 포함하고, Cu를 0 중량% 초과 및 60 중량% 이하로 포함하는 전기 접점 소재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 음극(-) 접점은 은-산화물 복합 소재를 포함하고, 상기 음극 접점의 은-산화물 복합 소재는 산화물을 5 내지 10 중량% 및 잔부 Ag를 포함하는 전기 접점 소재.
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