KR20080005935A - 알루미늄 피이스에 딱 맞는 은 표면을 형성하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 피이스에 전기전도성이 높은 표면을 형성하는 방법에 관한 것이다. 전기전도성이 높은 은 층이 공융 결합에 의해 상기 피이스에 형성된다. 알루미늄 피이스의 온도를 서서히 높여, 상기 피이스의 표면에 형성된 산화물 층을 제거한다. 제 1 가열 단계 후, 이 제거된 표면에, 부착되어야 하는 은 피이스가 놓인다. 접촉 지점이 알루미늄과 은 사이에 공융 결합이 생성되는 온도까지 가열된다. 제 2 가열 단계 동안, 접촉 지점에 단속적인 약한 하중이 가해진다.

알루미늄 피이스, 은 코팅, 전기전도성, 및 공융.

Description

알루미늄 피이스에 딱 맞는 은 표면을 형성하는 방법{METHOD FOR FORMING A TIGHT-FITTING SILVER SURFACE ON AN ALUMINIUM PIECE}

본 발명은 알루미늄 피이스에 전기전도성이 높은 표면을 형성하는 방법에 관한 것이다. 전기전도성이 높은 은 층이 공융 결합에 의해 상기 피이스에 형성된다. 알루미늄 피이스의 온도를 서서히 높여, 상기 피이스의 표면에 형성된 산화물 층을 제거한다. 제 1 가열 단계 후, 이 제거된 표면에, 부착되어야 하는 은 피이스가 놓이고, 알루미늄과 은 사이에 공융점을 갖는 합금이 생성되는 온도까지 접촉 지점에 하중을 가하면서 가열하며, 이는 응고하면서 금속 결합이 형성되도록 계속된다.

알루미늄은 전기전도성이 매우 양호하기 때문에 전기 전도성 구조물에 많이 사용되는 금속이다. 그러나, 알루미늄은 공기 중에 있으면 그 표면에 산화물 층이 형성되어, 알루미늄 피이스의 전기 전도성이 매우 저하된다. 알루미늄 피이스의 전기 전도성을 국부적으로 향상시킬 필요가 종종 있는데, 이는 예컨대 알루미늄 피이스에 구리 피이스를 접합시켜 이루어진다. 또, 언제나 전기전도성 향상 목적은 아니지만, 알루미늄과 은 접합이 이루어지는 유사한 방법이 공지되어 있다.

몇몇 다른 재료가 알루미늄에 접합되는 경우, 가장 큰 문제는 알루미늄이 공기 중에서 즉시 산화되는 것이다. 생성된 알루미늄 산화물은 일반적인 납땜법으로 영구히 제거하는 것은 어렵다. 예컨대 시장에서 구입가능한 카드뮴-함유 및 불화물-함유 용제 (fluxing agent) 로는 산화물을 충분한 양으로 제거할 수 없으므로, 납땜에 의해 형성된 접합은 다공성 (porous) 이며 약하게 된다.

국제출원 WO 2004/042121 에는, 알루미늄 전극 지지 바아에 은 코팅 층을 형성하는 방법이 공지되어 있다. 특히 용사 (thermal spray) 코팅법으로 알루미늄과 코팅재 사이의 접촉이 이루어진다. 용사 기술에 의해 알루미늄의 부동태 층, 즉 산화물 층이 파괴되므로, 금속 결합이 형성되고 또 코팅이 기판에 부착되기에 충분할 정도로 금속들의 접촉이 양호하게 된다.

알루미늄 표면에서의 밀봉 코팅은 용사법으로 이루어질 수 있지만, 지금까지 용사법에 필요한 장비는 약간 비싸다. 그리고, 일반적으로 용사법에 의하는 경우, 코팅재 전부가 코팅되는 피이스 표면에서 끝나지 않으므로, 코팅재 중 일부가 허비되어 용사법의 효율이 저하된다.

특허공보 EP 28763 에는, 금속 피이스들을 서로 접합하는 방법이 기재되어 있다. 상기 피이스들은 동일한 재료 또는 상이한 재료로 이루어질 수 있다. 이 특허공보에 기재된 금속 결합은 Al-Al, Cu-Cu 및 Al-Cu 이고, 또한 접합되는 피이스들 사이에 실리콘, 알루미늄-실리콘 합금 또는 은과 같은 중간제 (intermediate agnet) 가 삽입되어 있는 접합이 기재되어 있다. 금속들 사이에 발생하는 공융 반응을 이용하여, 높은 산소 압력에서 압력에 의해 결합이 이루어진 다. 공융 반응에 요구되는 온도는 결합되는 재료에 따라 다르며, 사용되는 온도는 공융 온도 ± 50 ℃ 이다. 상기 방법의 설명에 의하면, 산소가 많은 분위기가 피이스 가열에 사용되는 경우, 접촉 지점에 형성된 산화물 층이 액화 공융 합금과 압착된다. 예에서는 순수 산소가 사용되고, 사용된 압력은 150 ∼ 710 bar 이었다.

상기 특허공보 EP 에 기재된 피이스 서로의 결합은 매우 높은 압력에서 이루어지며, 이 높은 압력은 접합 지점에서 불순물과 가열시 산화되었던 층을 압착한다. 그러나, 가열시 산소 분위기 및 고압을 이용하는 이러한 결합 방법은 비용이 매우 많이 들게 된다.

일본특허출원 JP 57195592 는 은과 알루미늄을 서로 접합하는 방법에 관한 것인데, 이 방법에서는 진공 또는 불활성 분위기에서의 열간 가압에 의해 접합을 만들어서 표면 산화를 방지한다.

진공 또는 불활성 분위기에서의 열간 가압에 의한 일본특허출원의 금속 접합은 특히 저렴한 접합 방법은 아니다.

본 발명의 목적은 상기한 방법들의 단점을 제거하는 것이다.

본 발명의 목적은, 알루미늄 피이스에 전기전도성이 큰 은 코팅을 형성하기 위한 간단하면서도 값싼 방법을 제안하는 것이다. 또, 본 발명의 목적은, 표준 또는 약환원성 분위기에서 알루미늄 피이스의 표면에 은 코팅을 형성하고 또한 종래 기술에 사용되던 하중의 단지 일부만을 접합에 사용하는 방법을 제안하는 것이다.

본 발명의 목적은, 가열 기간들 사이에 알루미늄 표면에 은 피이스가 위치되도록, 알루미늄 피이스를 단계적으로 가열하는 방법을 제안하는 것이다. 또한, 은 피이스를 위치시키기 전에, 산화물 층을 알루미늄 피이스로부터 제거할 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 본질적인 특징은 첨부된 청구범위에 기재되어 있다.

본 발명은, 산화물 층이 제거된 알루미늄 피이스를 단계적으로 가열하여, 알루미늄 피이스의 표면에 전기 전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법에 관한 것이다. 제 1 가열 단계 후, 은 피이스가 알루미늄 표면에 가해진다. 적어도 알루미늄과 은 사이의 공융 반응에 요구되는 온도에서 제 2 가열 단계가 행해지는데, 이때 금속들 사이의 확산 및 용융 층으로 금속 결합이 형성된다. 대기 중에서 또는 약환원성 분위기에서 가열이 이루어진다. 접합 지점에 약 0.2 ∼ 3 bar 의 하중이 가해진다. 상기 하중은 점 (spot) 형태이며 주기적으로 반복되는 것이 바람직하다. 산화물 층은, 제 1 가열 단계 후 은 피이스가 접합 표면에 가해지기 전에, 필요에 따라 알루미늄 피이스의 접합 표면으로부터 제거된다.

은과 알루미늄의 평형 상태도에 따르면, 최소 공융 용융점은 567 ℃ 임이 알려져 있다. 알루미늄에 대한 은의 용해도는 400 ℃ 부터 공융 온도까지 가파르게 상승하며, 최대 용해도는 약 56 중량% 이다. 공융점에서의 은에 대한 알루미늄의 용해도는 약 5 중량% 이다. 피이스 접합시 온도가 올라가는 경우, 은 표면에 얇은 산화물 막이 생성되지만, 이 막은 약 200 ℃ 에서 파괴된다. 이로써 금속 접합의 효과적인 확산과 생성 반응이 가능하다.

본 발명의 방법에 있어서, 목적은 알루미늄과 은 사이에 금속 결합을 가능한 한 용이하게 또한 직접 형성하는 것이다. 본 방법에 따르면, 알루미늄 피이스의 접합 영역에서 산화물 층이 제거되고, 이 영역은 270 ∼ 330 ℃, 바람직하게는 300 ℃ 까지 가열된다. 상기 접합 영역은 일반적으로 넓지 않기 때문에, 산화물 층은 예컨대 연삭에 의해 기계적으로 제거된다. 필요하다면, 제 1 가열 단계 후 산화물 층이 제거된다. 그러나, 올바른 배치, 선형 작업 단계 및 적절한 시기의 작업의 경우, 고온에서의 산화물 층의 제거는 용이하게 회피될 수 있고, 가열하기 전에 완전히 처리될 수 있다. 그러나, 항상 양호한 질을 보장하기 위해서, 가열 단계들 사이에 연삭을 행할 수도 있다.

제 1 가열 단계 및 가능한 산화물 층 제거 직후, 부착되어야 하는 은 피이스 또는 은 포일 (foil) 이 알루미늄 피이스의 표면에 가해지고, 제 2 단계에서 이 피이스의 가열이 Al-Ag 의 공융점을 향해 계속된다. 가열하는 동안, 하중이 약 0.2 ∼ 3 bar 가 되도록, 은 피이스는 약하게 압력을 받는다. 압력은 반드시 연속적이거나 은 전체 표면에 작용해야 하는 것은 아니며, 점 형태이며 주기적으로 반복되는 것이 바람직하다. 접합 영역이 공융점에 도달하면, 공융혼합물 (eutectic) 이 은 피이스 아래에서 버블 아웃 (bubble out) 하기 시작한다. 공융혼합물이 전체 접합 영역에서 용해될 때까지 계속 가열한다. 피이스의 가열을 멈추면, 형성된 공융 합금이 응고하고, 금속결합에 의해 은이 알루미늄에 고정된다.

알루미늄 피이스에 따라, 예비가열용 열 제어되는 가열 공구 (예컨대 저항-작동식) 인 예비가열 토치 (torch) 를 사용하거나 또는 노 (furnace) 내에서, 상기 피이스의 가열이 이루어진다. 표준 공기 분위기 또는 약환원성 조건에서 가열이 행해질 수 있다. 예컨대 예비가열 토치가 환원성 불꽃으로 작동되도록 조절되면, 환원성 조건이 얻어진다. 노 내에서 가열을 행하는 경우, 불활성 보호가스 (예컨대 아르곤) 또는 환원성 가스 (예컨대 수소) 가 노 내에 공급될 수 있다.

본 방법의 효율은, 다듬질 가공으로 인해 효율이 약간 떨어질 수 있지만, 코팅 작업 자체에 있어서는 100 % 이다. 한편, 다듬질 가공은 예컨대 완전히 동일한 방식을 통해 용사로 이루어진 코팅재의 효율을 떨어뜨린다. 특히 높은 효율로 은 코팅을 행하는 경우, 재료비가 크게 절감된다.

실시예 1

본 발명에 따른 방법으로 알루미늄 시험 봉 (rod) 에 은 접합을 만들었다. 아세틸렌 토치로 가열하였고, 열전대에 기초한 디지털 표면 온도계를 사용하여 가열하는 동안 피이스의 온도를 모니터하였다. 시험 봉의 표면 온도가 300 ℃ 가 되었을 때, 연삭을 통해 표면에서 산화물 층을 제거하였고, 그 제거된 표면에 은 피이스를 두었다. 공융 온도 (567 ℃) 까지 다시 가열하였다. 약 0.3 ∼ 0.6 bar 의 점 형태의 단속적인 하중이 가열하는 동안 일부 시험 봉에 가해졌으며, 다른 시험 봉은 하중을 전혀 받지 않았다. 실제로, 공융점보다 25 ℃, 심지어 40 ℃ 더 높게 계속 가열될 수 있었다. 상기 온도에서 확산 반응은 문제 되는 금속 내에서 매우 빨리 진행되므로, 접합이 단지 수 초만에 형성된다. 일상적인 실제 작업에 있어서, 멜트 (melt) / 접합 에지에서의 멜트 버블 아웃의 거동을 모니터함으로써 육안으로 온도를 제어할 수 있다. 일반적인 토치 조절에 의해 환원성 불꽃 (불꽃의 환원성 부분) 이 얻어진다.

냉각된 시험 봉으로부터 미세절편 (microsection) 을 취하여 현미경으로 관찰하였다. 현미경 사진에 의하면, 하중 없이 제조된 시험 봉의 공융혼합물이 알루미늄과 은 양쪽을 향해 매우 얇은 구역에서 조각조작 나서 물결모양으로 퍼져 있었다. 또한, 현미경 사진에는 시그마 상이 나타나 있는데, 이 상은 공융점이라는 높은 온도에서 생성된다. 접합 에지의 두께는 수백 ㎛ 이었다.

접합 동안 하중이 가해진 시험 봉의 현미경 사진에 의하면, 기계적 압축 동안 공융 멜트 (eutectic melt) 가 접합 에지에서 버블 아웃되고, 그 결과 두께가 단지 수십 ㎛ 인 편평한 접합 에지가 존재하였다.

접합의 강도를 확인하기 위하여, 가열하는 동안 하중이 가해진 시험 봉에 인장강도 시험을 행하였다. 상기 봉의 평균 극한 인장강도는 94 N/㎟ 이상이었다.

Claims (13)

1. 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법에 있어서, 제 1 가열 단계 후, 부착되어야 하는 은 피이스를 접합 표면에 가하고, 그 다음으로 제 2 가열 단계에서 적어도 알루미늄과 은 사이의 공융 반응에 요구되는 온도까지 재가열하여, 알루미늄 피이스를 단계적으로 가열하며, 상기 가열은 공기 분위기 또는 약환원성 분위기에서 이루어지고, 제 2 가열 단계 동안 접합 지점에 하중이 가해지고, 상기 하중은 점 (spot) 형태이며 주기적으로 반복되는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가열 단계에서 알루미늄 피이스의 온도가 280 ∼ 330 ℃ 까지 올려지는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 가열 단계에서 알루미늄 피이스의 온도는 약 300 ℃ 까지 올려지는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄의 표면에 형성된 산화물 층이 상기 제 1 가열 단계 후 제거되는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 산화물 층의 제거가 연삭에 의해 기계적으로 행해지는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 2 가열 단계에서 접합 지점에 가해지는 하중이 약 0.2 ∼ 3 bar 인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄 피이스의 가열은 예비가열 토치로 행해지는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 토치는 아세틸렌 토치인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 가열은 불꽃의 환원성 부분에서 행해지는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방 법.
10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄 피이스의 가열은 온도가 제어되는 가열 공구로 행해지는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법.
11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄 피이스의 가열은 노 (furnace) 내에서 행해지는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 노 내에 보호 가스 분위기가 존재하는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 노 내에 환원성 분위기가 존재하는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 피이스의 표면에 전기전도성이 높은 은 코팅을 형성하는 방법.