사용자:Woorizip/연습장
□ 동철합금(銅鐵合金, Copper Ferro Alloy, CFA)
오래 전부터 동(銅, Cu29)과 철(鐵, Fe26)의 합금을 생산하기 위하여 학계와 세계적인 메이저 금속 회사들이 많은 노력을 경주하여 왔으나 성공하지 못 하였다. 1929년 독일 학자 2인이 동철합금 논문을 발표 했었고, 일본에서도 1964년 小川, 安部의 대학교수, 1967년 메이지 대학, 1970년에는 도시바 기업에서도 연구논문이 발표되었다.
아직도 전 세계 여러 연구기관과 기업 등에서 동철합금에 관한 연구와 개발이 진행되고 있다. 그 과정에서 미국의 오린(Olin Brass)이라는 회사가 철 약 3%가 함유된 동철합금제조 특허를 냈다. 그 특허를 사용하여 많은 금속제조 기업들이 리드프레임을 대량 생산하고 있다. (현재 Olin Brass사의 특허 유효기간이 지났다.)
2차 세계대전이 끝나고 나서 독일의 U-Boat에 동철합금이 사용 되었다는 것을 미국정부는 제조기술을 확보하기 위하여 100만 불의 현상금을 걸고 동철합금 개발자를 찾았으나 나타나지 않았다. 그리하여 동철합금의 제조기술은 수수께끼로 남았다. 현재 세계의 많은 기업들이 동철합금 제조에 대한 연구ㆍ개발이 진행되고 있다. (일본의 대기업 금속회사는 70여년 이상을 연구 개발 중)
□ 동철합금의 일반적인 특성
도전성(導電性)이 높은 동(銅)과 자성(磁性)을 갖고 있는 철(鐵)의 합금은 공정점(共晶點)과 비중의 차이 때문에 지금까지 철이 3% 이상을 함유하는 금속은 만드는 것이 불가능 하였다. 개발된 신소재 동철합금(CFA)은 자체 개발한 특수용해법에 의하여 동(Cu)과 철(Fe)의 합금 비율을 자유자재로 조절이 가능한 동철합금 제조법을 개발하였다. 또 소재로서의 가공성이 입증되어 각종 제품(10µm 박판 및 0.01mm 와이어 등)의 생산이 가능하게 되었다.
CFA는 동(Cu)의 성질인 도전성(導電性), 열전도성(熱傳導性), 전성(展性), 탄성(彈性) 등과 철(Fe)의 성질인 내마모성(耐磨耗性), 인장강도(引張强度), 경도(硬度), 자성(磁性) 등을 함께 가지고 있어 이전까지는 없었던 금속의 특성을 갖고 있다. 또 용도에 따라 철의 합금 비율을 조절할 수 있는 동철합금 생산을 가능하게 하였다. 그 동안 각종 금속과 합금 또는 수지(樹脂) 등의 재료를 조합하여 여러 특성을 구했지만, CFA는 단독으로 많은 특성에 대처할 수 있는 큰 장점을 갖고 있다.
현재 특수한 용도를 필요로 하는 금속들에는 전자기파차폐(電磁氣波遮蔽) 효과를 높이기 위해서는 제조비용도 많이 들고、 탄성(彈性)이 필요하면 마모(摩耗)가 쉬우며、 도전성(導電性)이 필요하면 강인성(強靭性)이 약하고 이런 등등의 상대적인 문제들을 CFA는 간단히 해결할 수 있다.
□ CFA(동철합금)와 다른 동 합금과의 차이점
1) CFA는 일반 동합금(BeCu, 인청동, 양백, 황동, 청동 등)과는 다른 다음과 같은 특유현상이 있다. (a) 응력부식(應力腐蝕) (b) 시효노화(時效老化) (c) 탄력성 저하 (d) 낮은 도전성(18~20% 정도) 그러나 CFA는 철이 함유되어 있어서 상기의 문제점들을 해결할 수 있다.
2) CFA 는 강도(强度)도 높고 다른 동합금보다 전기 전도율도 높다. ▪CFA 90(동90%, 철10%)은 강도 1000N/mm2, 도전율 60% 이상이며 일반 동합금(황동, 인청동)의 전도율은 20% 이하이다. 각종 모터의 권선에서 사용되고 있는 동선(銅線)보다 우월한 장점을 가지고 있는 인장강도에 때문에 모터를 소형화 할 수 있으며 또 토크(Torque)를 올릴 수 있는 장점으로 인하여 모터에서 가장 요구되는 파워를 높일 수 있다. 특히 정전기가 발생되지 않아 먼지의 흡수를 막기 때문에 모터의 내구성도 높일 수 있다. ▪지금까지의 동합금 절반 이하의 양으로 제품대응이 가능하다. ▪커넥터, 리드프레임, 모터권선, 베릴륨동 대체 등 폭넓게 응용이 가능하다. ▪각종 전자ㆍ전기기기의 소켓 및 커넥터의 재료(현재 황동 및 인청동)로 사용 시 전기전도의 우월성으로 인하여 기기의 저항(열의 발생)을 줄여준다.
3) 내마모성(耐磨耗性) 크롬銅보다 내마모성이 훨씬 우월하면서 상대 소재를 마모시키지 않는다. 각종 브레이크 패드, 전동차 바퀴, 부싱(Bushing) 등에 적용가능하다.
4) CFA는 동(銅) 또는 동합금과 철(Stainless steel이나 鐵)에 간단히 용접이 가능하다. 이종(異種)간의 금속 접합을 위한 용접봉으로 적용 가능하며 응용범위가 넓다. 지금까지는 서로 다른 금속을 접합하기 위해서는 특수한 용접봉을 사용하였지만 CFA는 알루미늄을 제외한 어떠한 금속도 용접이 가능하다.(예를 들어 구리와 스테인리스 또는 황동과 인청동간의 완벽한 용접이 가능하다.)
5) CFA는 어떠한 금속보다 열전도성이 좋고, 경도가 뛰어나 금형(金型, Mold)에 최적이다. 열전도의 우월성으로 현재의 다른 금속 금형보다 3배 이상의 생산성과 에너지 비용 절감을 얻을 수가 있다. 또한 주방용기(냄비 및 전골냄비, 후라이팬)에서도 열전도 우월성으로 인하여 에너지 절감에 크게 이바지 할 수 있다. 또한 내마모성과 열전도를 함께 요구되는 납땜 팁(Tip)에도 응용이 가능하다.
6) CFA는 다른 동합금에는 없는 자성을 갖고 있는 합금으로 강력한 전자파 차폐 효과가 있고 또 전파 흡수에도 탁월한 효능을 갖고 있다. 전자기파의 반사와 흡수 소멸로 인한 효과가 있어 자동차, 통신관련(통신케이블, 휴대전화, 전파기지국), 의료기기, 로봇, 컴퓨터, 전자ㆍ전기기기, 회로기판, 모터, 항공기, 해저 케이블 등에 적용이 가능하다.
7) CFA는 전자파차폐 및 흡수는 물론이지만 정전기(靜電氣 Static electricity) 및 노이즈(雜音, Noise)가 발생하지 않으며, 스파크(Spark) 방지에도 큰 장점을 갖고 있다.
8) CFA는 우월한 탄성을 갖고 있어, 전기 커넥터와 스위치, 릴레이(Relay) 등과 내지진구조재(耐地震構造材)로 활용이 가능하다.
9) CFA는 동과 철이 사용되므로 합금 리사이클 과정에서 유해 물질이 발생되지 않아 공해문제에서도 자유로울 뿐만 아니라 지구상에서 가장 풍부한 물질이어서 원료 소진에 대한 염려가 없다. 또한 희유금속(稀有金屬, Rare metal)과 같이 보유국의 정치, 경제적인 상황에 얽매이지 않는다.
10) 현재 유럽의 RoHS규제(Restriction of the use of Hazardous Substances in EEE, 전기전자제품 유해물질 사용제한 지침)에 위하여 BeCu(베릴륨동) 생산중지를 권장하고 있으며, 전 세계 대기업들에게는 절대 사용 및 제조 금지를 권하고 있다. 특히 황동(납4% 첨가)은 2006년부터 납 0.05%이하로 첨가해야 하는 규정을 정하였으나 대체물질이 없고 산업계에 주는 파급효과 때문에 2015년까지 유예하여 2016년부터 납 0.05%이하의 황동제품을 생산하여만 하는 실정이다. 그러나 전 세계 금속업계가 납 0.05% 이하의 황동을 만들기 위하여 많은 노력하고 있지만 현실적으로 어려움이 있는 것으로 전문가들은 예상하고 있다. 대체품으로 CFA가 대안이 될 것으로 예상된다.
11) 건물유리 차열(遮熱) 및 단열(斷熱)필림 기존 제품보다 우수한 열 차단 효과를 얻을 수 있는 CFA필름(메탈필름)을 PET필림 또는 폴리이미드 필림에 스퍼터링(Sputtering) 또는 증착(蒸着, Vapor Deposition) 공정이 가능하다. 기존의 메탈(銅) 필름은 스퍼터링 혹은 증착 공정이 어려워 가공성이 떨어지고 제조단가도 올라가지만 CFA은 작업성이 간단하여 어떠한 차열 및 단열 필름보다도 가격 경쟁력을 가질 수 있다. 그 외에 정전기방지용, 전자파차폐, 포장지, 식품 신선도 유지 필름으로도 응용 가능하다.
12) 기타
① 자동차, 항공기의 브레이크 패드
② 베어링(현재 동 분말과 철 분말을 섞어 소결(燒結, Sintering)하여 사용)
③ CFA분말을 페인트와 혼합하여 차폐재 페인트로 사용 가능
④ 용접봉(鎔接棒, Welding rod) 알루미늄을 제외한 어떠한 이종(異種)간의 금속도 융착력(融着力)이 강한 용접이 가능하다. 특히 선박 스크류의 손상을 수리하기 위해서는 많은 비용이과 시간이 들지만 CFA 용접봉으로 간단히 원형복구가 가능하다. - 용접 가능한 이종금속 종류
- 동과 동, 동과 스테인리스, 동과 인청동, 동과 황동 등
⑤ 전자조리기(IH기기) 및 전기밥솥 자성(磁性)을 가지고 있는 합금으로 열전도가 우수하여 IH조리기기로서 최상이며, 전기밥솥에서 사용되고 있는 가마에 대체하여 사용 시 조리시간 단축과 동철합금에서 발생하는 에너지에 의하여 최상의 요리가 가능하다.(현재는 동 도금 및 동과 스테인리스를 붙인 Clad metal을 사용)
⑥ 전철의 펜타그래프(Pentagraph) 우월한 전기전도성과 내마모성을 가지고 있어 고속전철의 펜타그래프의 내구성을 높일 수 있으며 발생하는 전기 스파크를 줄일 수 있다.
⑦ 가정용 전자ㆍ전기기구의 전자파차폐 전기청소기, 전자레인지, 헤어드라이어, 텔레비전, 컴퓨터 등 그 외에도 차폐효과 또는 방열과 탄성이 요구되는 각종 전기ㆍ전자부품 및 내마모성이 필요한 산업 재에 사용할 수 있다.
⑧ CNT(Carbon nanotube)와 그래핀(Graphene)의 베이스 소재로 최적격이라는 실험결과를 가지고 있다.(현재 일본 연구기관에서 연구개발 중)
예) CFA 소재로 스마트폰 적용 가능 사항
1. 전자파 차폐/흡수 시트 그리고 방열시트 휴대폰의 모든 기능은 각각의 고유 주파수로 작동이 된다. 이것들이 부수적으로 불필요한 전자파를 발생시켜 다른 파트의 기능에 장애를 초래한다. 현재의 휴대폰은 엄청난 기능을 동시에 구현하기 때문에 이는 아주 많은 회로와 이를 구동하기 위한 여러 가지 주파수가 공존함을 의미한다. 이런 상태에서 기기의 오작동을 막기 위해서는 각각의 회로부나 도선부 등을 개별적으로 차폐하여 각각의 부분을 적절하게 분리해주어야 한다. 휴대폰을 분해조립 해보면 각각의 부품을 둘러싸고 있는 모든 필름은 차폐, 흡수 또는 방열시트이다 이는 대부분 銅箔(동박)과 페라이트(Ferrite) 소재, 그라파이트(Graphite), CNT 등의 조합 또는 섬유상에 금속도금을 하는 형태로 구성되어 있다. 이것들을 동철합금(CFA) 단독으로 또는 기존 재료와 적절한 조합으로 방열과 차폐/흡수를 동시에 구현할 수 있다.
2. 쉴드 캔(Shield CAN(Controller Area Network, 계측제어기 통신망) 차폐 휴대폰의 파워부, 무선부등의 강한 차폐는 쉴드 캔 형태로 구현 되어 있다. 최소한 5개 이상 배치되어 있으며 기존 스테인리스 또는 양백으로 사용하고 있다. 동철합금(CFA)로 사용하면 기존 보다 더욱 얇은 박판이 가능하며, 강한 차폐가 가능하여, 회로설계가 용이하다. 현재 하드웨어 엔지니어의 가장 큰 과제는 전자파 차폐이다.
3. 각종 커넥터, 소형 판스프링 형 단자. 각종 잭(Jack)용 단자 휴대폰에는 정밀 초소형/협 피치 커넥터 및 탄성과 도전성을 동시에 구현해야 하는 각종 접촉 단자 등이 필요하다. 지금까지는 베릴륨동을 포함하는 각종 등급의 인청동 등의 동합금을 사용하고 있다. 베릴륨동은 환경문제로 사용이 규제되어 티타늄 동으로 바뀌고 있다. 동철합금은 한 가지 모델로 인청동의 6가지 등급제품보다 우수한 성능으로 대체 가능 하다. 전자회로에서 주파수가 높아지면 발열 및 전자파 문제가 수반 된다. 원칙적으로 재료부터 발열 및 차폐를 제어 할 필요성이 요구 되고 있다. 동철합금(CFA)이 유일한 대안이다. 이는 반도체, LED의 제조에도 필연적으로 요구된다.
4. TSP(Touch Sensor Panel)용 투명 전도성 필름 증착 방법을 통하여 메쉬(Mesh)형 투명 전도성 필름을 만들 수 있다. 증착 두께 제어를 통하여 밀러 기능의 보호 필름을 만들 수 있으며, 디스플레이에 장착 할 경우 눈부심을 막아주어 눈 보호에 최적의 해법이다. 고부가가치 보호 필름에 적합하다.
5. 휴대폰 케이스 알루미늄의 합금 비율을 좀 더 높임으로써 케이스에 적용이 가능 하다. 발열 및 차폐가 완벽하게 구현될 수 있다.
6. 플렉시블 PCB와 메인 PCB(인쇄 배선 회로 기판(Printed circuit board)) 고집적ㆍ고주파수化에 따른 PCB자체에서 차폐흡수의 필요성이 강하게 요구되는데 10µm, 5µm의 박판의 PCB원단 구현이 가능하다.
7. 각종 RF(Radio Frequency) Cable / 무선 충전회로 / NFC(Near Field Com- munication) / MST(Magnetic Secure Transmission) 등
□ CFA(동철합금)의 전망 및 기대효과
전 세계의 많은 분야에서 신소재개발을 위하여 수많은 개발자금을 투입하며 노력하고 있다. 그 중에서 시대가 요구하고 있는 전기ㆍ전자분야 특히 금속재료 부문에서 새로운 기능의 복합소재로서 동철합금(CFA)을 많은 금속제조 기업들이 개발 노력을 하였으나 상용화가 될 수 있는 동철합금을 만들어내지 못했다.신소재 동철합금의 개발은 무한한 시장 잠재력을 가지고 있어 제2의 스테인리스(1913년에 H. 브레얼리가 크롬을 첨가한 내식강을 만든 것이 시초)가 될 것으로 추정되며, 또한 동철합금으로 인하여 새로운 산업 클러스터의 형성으로 많은 제조공장이 세워지고 그에 따른 관련 기술자 및 제조 인력 등 고용효과를 창출할 수 있으며, 세계 유일한 동철합금제조로 인한 전 세계 산업계의 수요를 충당하기 위해서 많은 CFA(동철합금) 제조 기업이 형성될 것이다.