KR20190080529A - 브레이징 합금 조성물 및 그 제조방법, 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법 - Google Patents

브레이징 합금 조성물 및 그 제조방법, 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법 Download PDF

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Abstract

Al을 포함하는 브레이징 합금; 및 상기 브레이징 합금에 첨가되는 탄소 구조체;를 포함하는 브레이징 합금 조성물이 소개된다.

Description

브레이징 합금 조성물 및 그 제조방법, 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법{BRAZING ALLOY COMPOSITION AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME, BONDING METHOD USING BRAZING ALLOY COMPOSITION}
본 발명은 브레이징 합금 조성물 및 그 제조방법, 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법에 관한 것이다. 구체적으로, 우수한 브레이징성 및 열전도성을 갖는 알루미늄 브레이징 합금 조성물 및 그 제조방법, 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법에 관한 것이다.
알루미늄은 철강재료에 비해 가볍고 전, 연성이 뛰어나며 표면에 산화막이 형성되어 내식성이 우수하다. 또한, 전기전도도와 열전도도가 우수하여 전기나 전자재료, 건축소재, 우주항공재료 등 다양한 분야에서 사용하고 있다. 전자산업에서는 회로나 제품 혹은 생산설비의 열교환기 등에서 주로 사용된다. 알루미늄 소재를 접합하는 방법 중 브레이징법은 모재 사이에 용가재를 삽입하여, 모재는 용융시키지 않고, 용가재만 용융시켜 접합하는 방법이다. 브레이징은 면접합법으로 한번에 여러 곳을 동시에 접합하여 생산성이 높고, 접합강도도 모재 파단수준으로 강하며, 이종재료도 용이하게 접합할 수 있는 장점이 있다.
그러나 알루미늄의 융점은 660.3℃로, 알루미늄 브레이징용 합금 접합재와 융점이 유사하다.
알루미늄 브레이징 접합재로 쓰이는 Al-Si 합금을 사용하여 접합할 경우, 모재와 용가재의 용융온도의 차이가 적다. 모재와 용가재의 용융점의 차이가 적을 경우 모재가 녹아내리는 용락이 발생하기 쉽고, 이로 인해 브레이징이 어려워지게 된다. 아울러, 브레이징 온도가 모재 융점에 가까워서 모재가 손상될 위험이 높다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 용가재와 모재의 융점차이를 크게 할 필요가 있다.
한편, 기존의 알루미늄 휴대폰 프레임 접합의 경우, 기계적 압착을 사용하거나, 금속 절삭기를 이용한 Al 합금의 절삭 방법이 이용된다. 그러나 이 방법은 공정 시간이 많이 소요된다는 것이 단점이다. 또한, 주석 기반의 솔더를 사용한 휴대폰의 접합에서, 주석 기반의 솔더는 열전도도가 Al 합금보다 낮다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 알루미늄 브레이징 합금 조성물을 이용한 휴대폰 프레임 접합이 요구되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 우수한 브레이징성 및 열전도성을 갖는 알루미늄 브레이징 합금 조성물 및 그 제조방법, 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물은 Al을 포함하는 브레이징 합금; 및 상기 브레이징 합금에 첨가되는 탄소 구조체;를 포함한다.
상기 브레이징 합금은, 중량%로, Cu, Fe, Mg, Si, Zn, Ti, Mn, Cr, Zr 및 Bi 중에서 1종 이상: 0.2 내지 30%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 탄소 구조체는, 그래핀(graphene), 그라파이트(graphite), 탄소나노튜브(CNT) 및 풀러린(fullerene) 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 탄소 구조체는, 상기 브레이징 합금의 중량에 대해, 0.01 내지 5 중량부 첨가될 수 있다.
상기 탄소 구조체의 평균 결정립 입경은 1nm 내지 100㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물 제조방법은 Al을 포함하는 브레이징 합금을 마련하는 단계; 및 상기 브레이징 합금에 탄소 구조체를 첨가하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 마련하는 단계에서 상기 브레이징 합금을 용융된 상태로 마련하고, 상기 첨가하는 단계에서 상기 용융된 브레이징 합금에 상기 탄소 구조체를 첨가할 수 있다.
상기 마련하는 단계에서 상기 브레이징 합금을 분말 형태로 마련하고, 상기 첨가하는 단계에서 상기 분말 형태의 브레이징 합금에 상기 탄소 구조체 및 플럭스를 첨가하여 브레이징용 페이스트 형태로 제조할 수 있다.
상기 탄소 구조체를 첨가하는 단계 이전, 탄소 원료를 분쇄하여 상기 탄소 구조체를 마련하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 합금 원료는, 중량%로, Cu, Fe, Mg, Si, Zn, Ti, Mn, Cr, Zr 및 Bi 중에서 1종 이상: 0.2 내지 30%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법은 브레이징 합금 조성물을 마련하는 단계; 및 Al을 포함하는 재질의 제1부재 표면 상에 상기 브레이징 합금 조성물을 가하고, Al을 포함하는 재질의 제2부재와 접합하는 단계;를 포함하며, 상기 브레이징 합금 조성물은, Al을 포함하는 브레이징 합금; 및 상기 브레이징 합금에 첨가되는 탄소 구조체;를 포함한다.
상기 접합하는 단계 이전, 상기 제1부재 및 제2부재 각각의 접합 부위를 가공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 접합하는 단계는, 상기 제1부재의 접합 부위에 상기 브레이징 합금 조성물을 배치하는 단계; 상기 브레이징 합금 조성물 상에 상기 제2부재를 위치시키는 단계; 및 상기 브레이징 합금 조성물에 열을 가하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 마련하는 단계에서 상기 브레이징 합금 조성물을 용융된 상태로 마련하고, 상기 접합하는 단계는, 상기 제1부재를 상기 용융된 브레이징 합금 조성물에 침지하는 단계; 및 상기 침지된 제1부재의 접합 부위 상에 상기 제2부재를 위치시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 합금 원료는, 중량%로, Cu, Fe, Mg, Si, Zn, Ti, Mn, Cr, Zr 및 Bi 중에서 1종 이상: 0.2 내지 30%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 제1부재는 단차가 형성된 Al 재질의 프레임이고, 상기 제2부재는 Al 재질의 기판이며, 상기 위치시키는 단계에서, 상기 제1부재의 단차 상에 상기 제2부재가 안착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물은 탄소 구조체로 이루어진 첨가제를 이용함으로써 우수한 브레이징성 및 열전도성을 갖는 알루미늄 브레이징 합금 조성물 및 그 제조 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 구조체가 용융된 Al 브레이징 합금 내부에 강화된 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 기존의 Al 휴대폰 프레임-Al 기판간 기계적 압착을 이용한 접합 모식도, 기계적 절삭방법을 이용한 Al 기판의 모식도 및 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소 구조체가 첨가된 브레이징 합금 조성물을 이용하여 Al 휴대폰 프레임-Al 기판을 접합한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 교반하는 단계에서 브레이징 합금 조성물에 대한 용융물의 교반 시간과 프로펠러 회전 속도에 따른 교반 조건을 나타낸 그래프이다
도 4는 본 발명에 의한 실시예 및 비교예의 평균 결정립 크기를 보여주는 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 5는 본 발명에 의한 실시예 및 비교예의 퍼짐성 테스트 후의 모습을 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명에 의한 실시예 및 비교예의 퍼짐성 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 의한 실시예 및 비교예의 열전도도 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물이 요철 구조가 형성된 알루미늄 기판 위에 접합된 모습을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 표면 연마에 의해 표면 요철 구조가 형성된 알루미늄 기판을 브레이징 합금 조성물을 이용하여 브레이징 접합한 모습을 나타낸 광학 현미경 사진이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는”의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
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.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.
본 발명의 일 실시예에서 추가 원소를 더 포함하는 것의 의미는 추가 원소의 추가량 만큼 잔부인 알루미늄(Al)을 대체하여 포함하는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
브레이징 합금 조성물
본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물은 브레이징 합금 및 탄소 구조체를 포함한다.
브레이징 합금은 Al을 포함하는 재질로 형성된다. 구체적으로, 중량%로, Cu, Fe, Mg, Si, Zn, Ti, Mn, Cr, Zr 및 Bi 중에서 1종 이상: 0.2 내지 30%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
Cu, Fe, Mg, Si, Zn, Ti, Mn, Cr, Zr 및 Bi 중에서 1종 이상의 추가 합금 원소가 포함되되, 0.2 내지 30%이 첨가됨으로써 융점 저하 및 기계적 강도 향상 효과를 기대할 수 있다.
브레이징 합금은 열전도도가 200W/mK 이상일 수 있다.
탄소 구조체는 탄소 구조체는 브레이징 합금에 첨가된다.
나노 수준으로 제어되는 탄소 구조체의 존재로 인해 브레이징 합금 기지조직과 브레이징 합금 내 존재하는 금속간화합물(intermetallic compound, IMC)을 균일하게 미세화하여 합금의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 브레이징 합금 의 균열을 방지하고 공동(cavity)의 생성을 억제할 수 있다. 이에 따라 접합부 손상을 막고, 브레이징부의 신뢰도와 수명을 증가시킬 수 있다.
도 1에서 확인할 수 있는 것과 같이, 브레이징 합금에 첨가되는 첨가제로서 탄소 구조체를 이용할 경우, 납땜 시, 용융된 후 응고될 때, 융점이 Al(660℃)에 비해 훨씬 높은 탄소 구조체가 미세한 나노 크기의 고체로 존재하게 된다. 이러한 나노 크기의 고체는 응고 시, 고체 핵생성 위치(seed, 접종제)로 작용하여, 브레이징 합금 조성물의 퍼짐성이 향상된다.
이로 인해, 첨가된 탄소 구조체는 더욱 많은 수의 핵생성 위치를 제공하여 이곳에서 고체 결정이 생성되도록 하므로 이와 같이 탄소 구조체를 이용한 첨가제가 첨가되지 않은 경우와 비교하여 결정립이 미세화되어, 기계적 특성이 향상될 수 있다.
또한, 열전도도가 높은 탄소 구조체는 Al을 포함하는 브레이징 합금의 열전도도를 강화하여, 높은 열전도도를 요구하는 휴대폰 분야에 사용될 수 있다.
또한, 탄소 구조체는 금속간 화합물의 성장을 방해하여 금속간화합물이 미세화되도록 할 수 있다.
이에 따라 아래와 같은 Hall-Petch식에 의해 브레이징부가 더 향상된 강도와 특성을 갖는데 기여한다.
Figure pat00001
구체적으로, 탄소 구조체는 브레이징 합금의 중량에 대해, 0.01 내지 5 중량부 첨가될 수 있다.
탄소 구조체가 0.01 중량부 미만 포함될 경우, 탄소 구조체에 의한 미세화 효과가 크지 않아 브레이징성의 향상이 거의 나타나지 않을 수 있다. 반면, 5 중량부를 초과하여 포함될 경우, 브레이징 합금이 취성을 가지게 되므로 브레이징부에서 접합면 균열이 발생하여 브레이징성이 오히려 악화될 수 있다. 이로 인해 젖음 불량인 디웨팅(dewetting) 현상이 일어날 수 있다.
구체적으로, 탄소 구조체는 평균 입경이 1nm 내지 100㎛ 이하 일 수 있다.
탄소 구조체의 평균 입경이 1nm 미만일 경우, 탄소 구조체의 산화가 쉽게 발생할 수 있고, 또한, 취급이 어려워 질 수 있어서 그로 인해 균일한 분산 효과를 기대하기가 매우 힘들다. 반면에, 100㎛를 초과할 경우, 탄소 구조체가 서로 응집하여 존재하여 브레이징 특성을 저하시킬 수 있다.
구체적으로, 탄소 구조체는 브레이징 합금 기지 내에 분산된 형태로 존재할 수 있다.
탄소 구조체는 탄소 원소 동소체 중 1종 이상의 물질이 포함될 수 있다.
이를테면, 그래핀(graphene), 그라파이트(graphite), 탄소나노튜브(CNT) 및 풀러린(fullerene) 중에서 1종 이상일 수 있다.
탄소 구조체는 열전도도가 200W/mK 이상일 수 있다.
탄소 구조체가 그래핀일 경우, 두께가 1 내지 15nm이며, 직경이 25㎛ 이하의 판상 형태일 수 있다. 탄소 구조체가 그라파이트일 경우, 판상 형태로서 1 내지 250nm의 평균 결정립경을 가질 수 있다. 탄소 구조체가 탄소나노튜브일 경우, 직경 1 내지 20nm이며, 길이 10㎛ 이하의 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물은 땜납재로 사용될 수 있다. 구체적으로, 브레이징 페이스트(paste), 브레이징 봉(bar), 브레이징 와이어(wire) 등과 이를 활용한 전자제품의 납땜에 사용될 수 있다.
구체적으로, 도 2와 같이, 고 열전성을 요구하는 Al 휴대폰 프레임과 Al 기판 간의 접합에 사용될 수 있다.
현대의 전자기기들은 고 집적, 저 전력 또는 휴대성, 크기, 작동 전압 등의 요구를 충족시키기 위해서 점점 더 작아지고 있다. 여기서 하나의 심각한 이슈는 전자기기의 접합부 젖음성과 강도 및 열전도성이다. 이를 개선하기 위해 향상된 열전도도와 퍼짐성 및 미세화된 금속간 화합물로 이루어진 브레이징 합금에 대한 요구가 증가하고 있으며, 본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물은 이러한 단점을 개선하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
브레이징 합금 조성물 제조방법
본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물 제조방법은 Al을 포함하는 브레이징 합금을 마련하는 단계 및 브레이징 합금에 탄소 구조체를 첨가하는 단계를 포함한다.
탄소 구조체를 첨가하는 단계 이전에는 탄소 원료를 분쇄하여 탄소 구조체를 마련하는 단계를 더 포함할 수 있다.
탄소 구조체를 마련하는 단계에서는 탄소 원료를 비정형이며, 나노 수준의 탄소 구조체를 제조할 수 있다. 수평, 수직으로 회전 가능한 베슬(vessel)과 베슬 내에 배치되며, 칼날 형태의 임펠러(impeller)를 이용하여 공전 및 자전 원리를 통해 탄소 구조체를 분쇄할 수 있다.
구체적으로, 10 내지 60rpm으로 회전하는 베슬 및 베슬 내에서 3000 내지 14000rpm으로 회전하는 임펠러를 이용하여 비정형의 탄소 구조체를 제조할 수 있다.
임펠러의 회전속도가 베슬의 회전속도보다 빠를 경우, 탄소 구조체가 원심력에 의해 베슬의 내벽에 달라붙어 임펠러와의 접촉이 잘 이루어지지 않는 현상을 방지할 수 있다. 이에 따라 분쇄효율을 증대시킬 수 있다.
베슬 및 임펠러의 회전속도가 상기 범위를 만족함으로써 에너지 효율을 높임에 따라 효율적으로 탄소 구조체를 분쇄할 수 있으며, 비정형의 탄소 구조체를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물 제조방법은 브레이징 합금을 마련하는 단계에서 Al을 포함하는 브레이징 합금을 마련한다. 구체적으로, Al 단독 또는 0.2 내지 30 중량%의 Cu, Fe, Mg, Si, Zn, Ti, Mn, Cr, Zr 및 Bi 중에서 1종 이상과 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 브레이징 합금을 전기로 및 유도 가열로에서 가열하여 용융시킬 수 있다. 구체적으로, 500 내지 800℃의 온도에서 용융될 수 있다.
다음으로, 첨가하는 단계에서 용융된 브레이징 합금에 탄소 구조체를 첨가할 수 있다. 이후, 탄소 구조체가 첨가된 브레이징 합금을 혼합하고, 교반함으로써 브레이징 합금 조성물을 제조할 수 있다.
구체적으로, 100 내지 500rpm으로 회전하는 프로펠러를 이용하여 20 내지 50분 동안 교반할 수 있다. 프로펠러의 속도가 100rpm 미만일 경우, 교반이 불충분하게 되어 탄소 구조체의 분산효과가 크지 않을 수 있다. 500rpm을 초과할 경우, 브레이징 합금이 튀거나 대기 중 교반일 경우, 산화가 심화될 수 있다. 따라서 프로펠러의 회전속도는 상기 범위로 제어한다.
도 3에 브레이징 합금 조성물에 대한 용융물의 교반 시간과 프로펠러 회전 속도에 따른 최적의 교반 조건을 나타내었다.
프로펠러는 스테인리스 스틸 재질이 이용될 수 있으며 이 경우, 프로펠러의 표면과 브레이징 합금의 반응성이 낮아 교반 효율이 향상될 수 있다. 또한, 축의 직경 값보다 얇은 두께를 갖는 판 형태의 4날 프로펠러가 이용될 수 있다. 이에 따라 첨가제의 응집 현상을 방지하고, 용융 브레이징 합금 내부에 첨가제를 균일하게 분산시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물 제조방법은 브레이징 합금을 마련하는 단계에서 Al을 포함하는 브레이징 합금을 마련한다. 구체적으로, Al 단독 또는 0.2 내지 30 중량%의 Cu, Fe, Mg, Si, Zn, Ti, Mn, Cr, Zr 및 Bi 중에서 1종 이상과 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 브레이징 합금을 분말 형태로 마련할 수 있다.
다음으로, 첨가하는 단계에서 상기 분말 형태의 브레이징 합금에 상기 탄소 구조체 및 플럭스를 첨가할 수 있다. 분말 형태의 브레이징 합금과 탄소 구조체를 플럭스(flux)를 함께 혼합하여 브레이징용 페이스트 형태로 제조할 수 있다.
브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법
본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법은 브레이징 합금 조성물을 마련하는 단계 및 Al을 포함하는 재질의 제1부재 표면 상에 브레이징 합금 조성물을 가하고, Al을 포함하는 재질의 제2부재와 접합하는 단계를 포함하며, 브레이징 합금 조성물은 Al을 포함하는 브레이징 합금 및 브레이징 합금에 첨가되는 탄소 구조체를 포함한다.
접합하는 단계 이전에는 제1부재 및 제2부재 각각의 접합 부위를 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
접합 부위를 가공하는 단계를 통해 제1부재 및 제2부재의 표면이 가공되어 요철 구조가 형성됨으로써 기계적 결합력이 증가하게 되므로 합금의 강도가 향상될 수 있다. 또한, 열전도가 우수하며, 보이드 및 균열 등의 결함이 없는 양호한 접합면을 얻을 수 있다.
제1부재 및 제2부재는 Al을 포함하는 재질로 형성된 것으로 그 형상에 구애되지 않는다. 제1부재는 Al 재질의 기판일 수 있고, 제2부재도 Al 재질의 기판일 수 있다.
제1부재 및 제2부재 접합 부위에 불규칙한 요철 구조 형성을 위해 플라즈마 에칭 혹은 SiC 샌드페이퍼를 이용할 수 있다.
다음으로, 마련하는 단계에서는 브레이징 합금 및 탄소 구조체를 포함하는 브레이징 합금 조성물을 마련한다. 브레이징 합금 조성물에 대한 설명은 상기한 설명으로 대신하기로 한다.
다음으로, 접합하는 단계에서는 브레이징 합금 조성물을 이용하여 제1부재와 제2부재를 접합할 수 있다. 구체적으로, 접합하는 단계는 제1부재의 접합 부위에 브레이징 합금 조성물을 배치하는 단계, 브레이징 합금 조성물 상에 제2부재를 위치시키는 단계 및 브레이징 합금 조성물에 열을 가하는 단계를 포함할 수 있다.
제1부재 상에 배치되는 브레이징 합금 조성물은 브레이징 페이스트 형태로서 제1부재를 따라 배치될 수 있다. 또는 브레이징 와이어 형태로서 제1부재를 따라 배치될 수 있다. 또는 브레이징 합금, 탄소 구조체 및 플럭스의 조합으로 제1부재를 따라 배치될 수 있다.
이후, 브레이징 합금 조성물을 매개로 제1부재와 제2부재의 연결을 위해 브레이징 합금 조성물 상에 제1부재와 제2부재가 서로 마주하도록 제2부재가 위치할 수 있다.
다음으로, 브레이징 합금 조성물을 가열하여 브레이징 합금 조성물에 의해 제1부재와 제2부재가 접합되도록 할 수 있다.
가열에 의해 제1부재와 제2부재를 접합시키는 온도는 550 내지 600℃일 수 있다. 온도가 550℃ 미만일 경우, 너무 낮아 브레이징 합금 조성물의 용융이 이루어지지 않기 때문에 접합이 제대로 되지 않을 수 있다. 반면, 온도가 600℃를 초과할 경우, 기판 및 소자에 열 데미지를 줄 수 있어서 신뢰성에 문제가 생길 수 있다.
제1부재 및 제2부재 모두 표면에 요철구조가 형성될 경우, 브레이징 합금 조성물에 의해 접합될 경우, 앵커 효과(anchor effect)에 따라 브레이징 합금이 표면의 오목한 부분이나 빈 구멍에 혼입되고, 기계적 결합력이 증가하게 되어 부재 간의 접합 강도가 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법은 마련하는 단계에서 브레이징 합금 조성물을 용융된 상태로 마련하고, 접합하는 단계는 제1부재를 상기 용융된 브레이징 합금 조성물에 침지하는 단계 및 침지된 제1부재의 접합 부위 상에 제2부재를 위치시키는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 브레이징 합금 조성물을 용융된 상태로 마련한 다음, 접합하는 단계에서 제1부재를 용융된 상태의 브레이징 합금 조성물에 침지시킨다. 침지 방법은 제1부재 전체를 용융된 상태의 브레이징 합금 조성물에 침지시킬 수 있고, 접합 부위 일부만을 용융된 상태의 브레이징 합금 조성물에 침지시킬 수 있다. 이후, 제1부재의 브레이징 합금 조성물 상으로 제2부재를 위치시켜 제1부재와 제2부재를 접합시킬 수 있다.
구체적으로, 제1부재는 단차가 형성된 Al 재질의 프레임이고, 제2부재는 Al 재질의 기판이며, 위치시키는 단계에서, 제1부재의 단차 상에 제2부재가 안착될 수 있다.
휴대폰을 구성하는 제1부재로서 Al 재질의 프레임은 일측이 개방된 프레임 형태로 형성될 수 있다. 내측에는 단차가 형성될 수 있다. 절삭 등의 후가공에 의해 단차를 형성시킬 수 있다.
마찬가지로, 휴대폰을 구성하는 제2부재로서 Al 재질의 기판은 단차에 안착되어 제1부재와 연결될 수 있다.
따라서 제1금속층은 제1부재의 단차 상에 형성될 수 있고, 단차에 안착되는 제2금속층의 테두리 상에 형성될 수 있다. 브레이징 합금 조성물은 제1부재와 제2부재 사이에 배치되어 제1부재와 제2부재를 접합시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 제2부재를 제1부재 상에 안착시킬 때, 연결 위치가 변동되지 않도록 별도의 지지체 등을 이용하여 제조과정에서 제2부재의 이동이 일어나지 않게 할 수 있다.
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
1. 브레이징 합금 조성물의 미세 조직 특성
[실시예 1]
베슬을 50rpm으로 회전시키고, 임펠러를 5000rpm으로 10분간 회전시켜 분쇄된 비정형의 나노 그래핀(graphene, GNP) 탄소 구조체를 제조하였다.
Al-12wt%Si 브레이징 합금을 대기 및 질소분위기의 580℃ 온도 전기로에서 약 30분간 용융시켰다. 이후, 분쇄된 비정형의 나노 그래핀(graphene) 탄소 구조체를 전체 조성물의 중량에 대해 0.2%로 용융된 브레이징 합금에 첨가하고, 직사각형 4날 형태의 스테인레스 스틸 프로펠러를 이용하여 500rpm으로 20분간 교반시켰다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일한 방법으로 Al-12wt%Si 브레이징 합금 조성물을 제조하되, 비정형의 탄소나노튜브(CNT) 첨가제를 이용하였다.
[비교예 1]
탄소 구조체의 첨가 없이 Al-12wt%Si 브레이징 합금을 이용하였다.
[브레이징 합금 조성물의 미세 조직 특성 평가]
Al-12wt%Si 브레이징 합금에 분쇄된 비정형의 나노 그래핀(graphene) 첨가제가 전체 조성물의 중량에 대해 0.2% 첨가된 Al-12wt%Si 브레이징 합금인 실시예 1, Al-12wt%Si 브레이징 합금에 분쇄된 비정형의 탄소나노튜브(CNT) 첨가제가 전체 조성물의 중량에 대해 0.2% 첨가된 Al-12wt%Si 브레이징 합금인 실시예 2, Al-12wt%Si 브레이징 합금에 탄소 구조체가 첨가되지 않은 비교예 1의 결정립을 비교해 보면, 첨가제가 첨가되지 않은 비교예 1의 결정립은 첨가제가 첨가된 실시예 1, 실시예 2에 비해 결정립의 미세화가 진행되지 않음을 확인할 수 있다. 결과적으로, 나노 그래핀(grapheme)이 첨가된 실시예 1, 탄소나노튜브(CNT)가 첨가된 실시예 2의 평균 결정립은 첨가제가 없는 비교예 1에 비해 평균 결정립이 감소하였다. 도 4에 실시예1, 실시예2 및 비교예 1의 FE-SEM 사진이 개시되어 있다.
2. 브레이징 합금 조성물의 브레이징성
[실시예 3]
실시예 1과 같은 방법으로 브레이징 합금 조성물을 제조하였다.
[실시예 4]
실시예 2와 같은 방법으로 Al 브레이징 합금 조성물을 제조하였다.
[비교예 2]
비교예 1과 같은 방법으로 브레이징 합금 조성물을 제조하였다.
[브레이징 합금 조성물의 브레이징성 평가]
실시예 3, 실시예 4 및 비교예 2에 대해 퍼짐성 시험을 실시하였다. 도 5에 각각에 대한 퍼짐성 사진을 나타내었으며, 도 6에 각각 퍼짐성 시험에 대한 결과를 나타내었다.
실시예 3의 퍼짐성은 90.28%, 실시예 4의 퍼짐성은 90.51%, 비교예 2의 퍼짐성은 88.66%로 나타났다.
결과적으로, 브레이징 합금에 탄소 구조체를 첨가한 경우, 탄소 구조체를 첨가하지 않은 경우보다 우수한 퍼짐성(브레이징성)을 갖는 것을 확인할 수 있다.
우수한 브레이징성은 납땜부가 견고하고 안정적으로 형성되므로 납땜부의 불량 감소와 강도향상 등의 장점으로 작용한다.
3. 브레이징 합금 조성물의 열전도 특성
[실시예 5]
실시예 1과 같은 방법으로 브레이징 합금 조성물을 제조하였다.
[실시예 6]
실시예 2와 같은 방법으로 브레이징 합금 조성물을 제조하였다.
[비교예 3]
비교예 1과 같은 방법으로 브레이징 합금 조성물을 제조하였다.
[브레이징 합금 조성물의 열전도 특성 평가]
실시예 5, 실시예 6 및 비교예 3에 대해 열전도 시험을 실시하였다. 도 7에 각각 열전도 시험에 대한 결과를 나타내었다.
실시예 5의 열전도율은 229.365/mK, 실시예 6의 열전도율은 225.118W/mK, 비교예 3의 열전도율은 218.137W/mK으로 나타났다.
결과적으로, 브레이징 합금에 탄소 구조체를 첨가한 경우, 탄소 구조체를 첨가하지 않은 경우보다 우수한 열전도성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 상기 실시예의 나노 입자의 첨가제뿐만 아니라, 아닌 다른 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 붕소화물 나노 입자를 사용하였을 때에도 유사한 효과를 나타낼 수 있다.
4. 브레이징 합금 조성물을 이용한 휴대폰 프레임 접합
[실시예 7]
실시예 1과 같은 방법으로 브레이징 합금 조성물을 제조하였다. 이와 같이 제조한 브레이징 합금 조성물을 이용하여 알루미늄 재질의 제1부재와 알루미늄 재질의 제2부재를 접합하였다.
[실시예 8]
실시예 2와 같은 방법으로 브레이징 합금 조성물을 제조하였다. 이와 같이 제조한 브레이징 합금 조성물을 이용하여 알루미늄 재질의 제1부재와 알루미늄 재질의 제2부재를 접합하였다.
[비교예 4]
비교예 1과 같은 방법으로 브레이징 합금 조성물을 제조하였다. 이와 같이 제조한 브레이징 합금 조성물을 이용하여 알루미늄 재질의 제1부재와 알루미늄 재질의 제2부재를 접합하였다.
[비교예 5]
첨가제의 첨가 없이 Zn-5wt%Al 합금 조성물을 이용하였다. 이와 같이 제조한 브레이징 합금 조성물을 이용하여 알루미늄 재질의 제1부재와 알루미늄 재질의 제2부재를 접합하였다.
[브레이징 합금 조성물을 이용한 휴대폰 프레임 접합 평가]
실시예 7, 실시예 8, 실시예 9 및 실시예 10에 대해 휴대폰 프레임 접합을 실시하였다.
0.1%Cu-0.5%Fe-1.3%Mn-0.3%Si-0.1%Zn 및 잔부 Al로 구성된 알루미늄 3003 기판을 준비하고, 30 x 30 x 1 mm 규격으로 가공한 후 표면을 플라즈마 에칭한 후 SiC 샌드페이퍼로 연마한 후 세척하여, 알루미늄 표면에 불규칙한 요철구조를 형성하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 브레이징 합금 조성물이 플라즈마 에칭 혹은 표면 연마에 의해 표면 요철 구조가 형성된 알루미늄 기판 위에 접합된 모습을 나타낸 도면이다.
상기 기판의 표면 연마 단계는 앵커 효과(anchor effect)에 의해 브레이징 합금이 기판의 빈 구멍이나 오목한 곳에 혼입되어 결과적으로, 기계적 결합력이 증가하게 되어 합금의 강도를 향상시키는 효과가 있다.
브레이징 합금 조성물을 준비된 알루미늄 기판 위에 위치시키고, 600℃ 온도를 가하여 접합하였다. 도 9에 본 발명의 일 실시예에 의한 표면에 요철구조가 형성된 알루미늄 기판 위 브레이징 합금 조성물이 접합된 모습을 나타낸 광학 현미경 사진을 통해 나타내었다.
접합 결과, 비교예 4 및 비교예 5는 접합면의 상태가 균일하지 않고 접합부에 미세 크랙 및 기공이 발견되었지만, 실시예 7 및 실시예 8는 보이드 및 균열 등의 결함이 없는 양호한 접합면을 확인하였다.
본 발명은 상기 구현예 및/또는 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 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (16)

  1. Al을 포함하는 브레이징 합금; 및
    상기 브레이징 합금에 첨가되는 탄소 구조체;를 포함하는 브레이징 합금 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 브레이징 합금은,
    중량%로, Cu, Fe, Mg, Si, Zn, Ti, Mn, Cr, Zr 및 Bi 중에서 1종 이상: 0.2 내지 30%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 브레이징 합금 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 구조체는,
    그래핀(graphene), 그라파이트(graphite), 탄소나노튜브(CNT) 및 풀러린(fullerene) 중에서 1종 이상을 포함하는 브레이징 합금 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 구조체는,
    상기 브레이징 합금의 중량에 대해, 0.01 내지 5 중량부 첨가되는 브레이징 합금 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 구조체의 평균 입경은 1nm 내지 100㎛인 브레이징 합금 조성물.
  6. Al을 포함하는 브레이징 합금을 마련하는 단계; 및
    상기 브레이징 합금에 탄소 구조체를 첨가하는 단계;를 포함하는 브레이징 합금 조성물 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 마련하는 단계에서 상기 브레이징 합금을 용융된 상태로 마련하고,
    상기 첨가하는 단계에서 상기 용융된 브레이징 합금에 상기 탄소 구조체를 첨가하는 브레이징 합금 조성물 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 마련하는 단계에서 상기 브레이징 합금을 분말 형태로 마련하고,
    상기 첨가하는 단계에서 상기 분말 형태의 브레이징 합금에 상기 탄소 구조체 및 플럭스를 첨가하여 브레이징용 페이스트 형태로 제조하는 브레이징 합금 조성물 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 탄소 구조체를 첨가하는 단계 이전,
    탄소 원료를 분쇄하여 상기 탄소 구조체를 마련하는 단계;를 더 포함하는 브레이징 합금 조성물 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 합금 원료는,
    중량%로, Cu, Fe, Mg, Si, Zn, Ti, Mn, Cr, Zr 및 Bi 중에서 1종 이상: 0.2 내지 30%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 브레이징 합금 조성물 제조방법.
  11. 브레이징 합금 조성물을 마련하는 단계; 및
    Al을 포함하는 재질의 제1부재 표면 상에 상기 브레이징 합금 조성물을 가하고, Al을 포함하는 재질의 제2부재와 접합하는 단계;를 포함하며,
    상기 브레이징 합금 조성물은,
    Al을 포함하는 브레이징 합금; 및
    상기 브레이징 합금에 첨가되는 탄소 구조체;를 포함하는 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 접합하는 단계 이전,
    상기 제1부재 및 제2부재 각각의 접합 부위를 가공하는 단계;를 더 포함하는 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 접합하는 단계는,
    상기 제1부재의 접합 부위에 상기 브레이징 합금 조성물을 배치하는 단계;
    상기 브레이징 합금 조성물 상에 상기 제2부재를 위치시키는 단계; 및
    상기 브레이징 합금 조성물에 열을 가하는 단계;를 포함하는 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 마련하는 단계에서 상기 브레이징 합금 조성물을 용융된 상태로 마련하고,
    상기 접합하는 단계는,
    상기 제1부재를 상기 용융된 브레이징 합금 조성물에 침지하는 단계; 및
    상기 침지된 제1부재의 접합 부위 상에 상기 제2부재를 위치시키는 단계;를 포함하는 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 브레이징 합금은,
    중량%로, Cu, Fe, Mg, Si, Zn, Ti, Mn, Cr, Zr 및 Bi 중에서 1종 이상: 0.2 내지 30%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1부재는 단차가 형성된 Al 재질의 프레임이고, 상기 제2부재는 Al 재질의 기판이며,
    상기 위치시키는 단계에서,
    상기 제1부재의 단차 상에 상기 제2부재가 안착되는 브레이징 합금 조성물을 이용한 접합방법.
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