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알루미늄-구리 이종 도체 접합부에서 금속간화합물의 성장 거동

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Authors
김정익
Advisor
한흥남
Major
공과대학 재료공학부
Issue Date
2017-02
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
도체접합용접금속간화합물직류 전기확산일렉트로마이그레이션
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 재료공학부, 2017. 2. 한흥남.
Abstract
구리 원자재 가격 상승에 따라 구리 가격이 동일 중량의 알루미늄 대비 높게 형성되어, 전력 전송용 케이블에도 구리 도체를 대체하여 알루미늄 도체를 적용하고자 하는 요구가 급격히 증가하고 있다. 이에 따른 영향으로 향후 Al-Cu 이종 도체 접합부 수요가 늘어날 것으로 기대된다. 하지만 이종 도체 접합 계면에서는 금속간화합물이 생성 및 성장하여 전기적, 기계적 특성이 열화 되고, 임계 두께 이상으로 성장하면 취성 파괴될 위험이 있다.
또한, 최근 장거리 전력 전송에 대한 요구가 증대함에 따라 송전 손실을 줄이기 위한 목적으로 직류 전송에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데 이종 금속재료 접합계면에서 직류 전기 인가 조건에 따른 일렉트로마이그레이션 효과에 의해 금속간화합물 성장이 가속화된다는 보고가 이어지고 있다.
본 연구는 향후 전력 전송용 케이블에 적용이 확대되어 갈 것으로 예상되는 Al-Cu 이종 도체 접합부에서, 접합 메커니즘 및 직류 전기 인가 효과에 의한 금속간화합물의 성장 거동을 확인하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 접합 메커니즘은 확연히 구분할 수 있으면서도, 용접 작업자 역량에 영향을 받지 않도록 반자동화된 냉간 압접과 용융 저항 접합 방법을 이용하여 이종 도체 접합 샘플을 제작하였다. FE-SEM, EDS, FE-EPMA, EBSD 및 XRD를 활용하여 접합 계면에서의 미세 조직과 금속간화합물 성장 거동을 관찰 하였다.
접합 메커니즘에 따른 연구 결과, 용융 저항 접합 샘플과 비교하여 냉간 압접 샘플에서 금속간화합물의 두께가 더 증가하였다. 냉간 압접 공정 후 강한 소성 변형에 의한 결정립 미세화에 따라, 저온에서 원자 확산 경로인 결정립계 등 결정 결함의 증가로 인해 확산이 가속되었기 때문이다.
직류 전기 인가 실험 결과로부터 전력 전송용으로 사용되는 상용 전류 밀도 영역(10 A/㎟ 이하)에서 일렉트로마이그레이션 현상이 발생하지 않았지만, 열처리 노를 이용하여 간접 가열한 경우와 비교하여 직류 전기로 직접 가열한 샘플에서의 금속간화합물 두께가 최대 약 20 % 증가함을 확인하였다. 교류 통전 효과로 금속간화합물의 성장이 약 7 배 빨라짐을 보고한 기존의 연구와는 대비되는 결과이다.
접합 방법뿐만 아니라 직류 전기 인가에 따른 금속간화합물 성장 거동의 정량화를 통해, 이종 도체 접합 방법 및 직류 전기 인가에 따른 금속간화합물의 성장 활성화 에너지를 도출하고 접합부 형성 및 가열 방법, 온도 및 시간에 따라 성장하는 금속간화합물 두께의 예측이 가능한 실험식을 제안하였다.
실험식으로부터 전력 전송용 케이블 사용 조건에서 Al-Cu 접합 계면의 금속간화합물 두께는 기존에 알려져 있는 임계 두께(2.5 ㎛)에 비해 크지 않으므로, 직류 전기 인가에 따른 결과로 금속간화합물 성장에 의한 취성 파괴 발생 위험은 없을 것으로 예상 할 수 있다.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/118108
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Materials Science and Engineering (재료공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._재료공학부)
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