DBPIA-NURIMEDIA

Size: px

Start display at page:

Download "DBPIA-NURIMEDIA"

광규 소봉
6 years ago
Views:

특집 : 3 차원진보적전자패키징의공정기술과평가 합금의활성금속브레이징 기세호 박상윤 정재필 김원중 서울시립대학교공과대학신소재공학과 Active Metal Brazing Applied to Joining of ZrO 2 -Ti Alloy Se-Ho Kee*, Sang-Yoon Park*, Jae-Pil Jung* and Won-Joong Kim*,

1 특집 : 3 차원진보적전자패키징의공정기술과평가 합금의활성금속브레이징 기세호 박상윤 정재필 김원중 서울시립대학교공과대학신소재공학과 Active Metal Brazing Applied to Joining of ZrO 2 -Ti Alloy Se-Ho Kee*, Sang-Yoon Park*, Jae-Pil Jung* and Won-Joong Kim*, *Department of Materials Science and Engineering of University of Seoul, Seoul , Korea Corresponding author : wjkim@uos.ac.kr A bstract In this study, active metal brazing methods for ZrO 2 and Ti alloy were discussed. To get a successful metal-ceramic bonding, various factors (melting temperature, corrosion, sag resistance, thermal expansion coefficient etc. of base materilas and filler metal) should be considered. Moreover, in order to clarify bonding between the metal and ceramic, the mechanism of the interfacial structure of the joints should be identified. The driving force for the formation of metal and ceramic interfaces is the reduction of the free energy which occurs when their contact becomes complete. Interfacial bonding depends on the material combinations and the bonding processes. This study describes the bonding between ceramic and metal in an active metal brazing. Key Words : Vibration, Fatigue, Fracture, Intermetallic compound, Pb-free solder 1. 서론 금속과세라믹의접합기술은전자전기산업관련하여초소형전자부품회로 센서 고효율열교환기 전자패키징등의분야에다양하게응용되고있다 이것은여러가지세라믹의전기적 자기적인특성을가지고있기때문인데 대부분의경우에금속에의한배선이나전극의형성이이루어진다 하지만세라믹의취성파괴특성에따른낮은신뢰성및높은제조단가로인하여산업체부품으로의응용은극히제한되어져왔다 이를보완하기위하여금속에세라믹을접합하기위하여오랫동안많은연구들이행해져왔다 질화규소등구조재료에대해서도금속과세라믹의접합기술이실용화되고있다 또한금속과세라믹의접합기술은최근치과용임플란트등의생체용재료로도응용되고있다 임플란트는 년티타늄 이생체뼈에고정되어떨어지지않은것을우연히발견하여이를골 유착현상 이라 명명 하고 년이가없는환자에게티타늄으로된인공 치아를최초로응용한것이시초가되었다 그후치과 임플란트의 응용은 등에 의해 개 발되었다 그후현재까지많은연구기관에의해개발 발전된

합금의활성금속브레이징 수많은시스템의임플란트가많은임상의를통해전세계적으로사용되고있고지금도끊임없는노력으로발전되고있다 초기에는플라스틱 크롬코발트 등의다양한재료들을사용해서다양한형태의임플란트들이개발되었지만생체친화성 이좋은티타늄을사용한것은 년에 가개발한나선형임플란트가최초라고할수있다 현재주로사용되고있는나사형 임플란트는스웨덴의 이티타늄이골과직접유착되는것을확인하고

2 합금의활성금속브레이징 수많은시스템의임플란트가많은임상의를통해전세계적으로사용되고있고지금도끊임없는노력으로발전되고있다 초기에는플라스틱 크롬코발트 등의다양한재료들을사용해서다양한형태의임플란트들이개발되었지만생체친화성 이좋은티타늄을사용한것은 년에 가개발한나선형임플란트가최초라고할수있다 현재주로사용되고있는나사형 임플란트는스웨덴의 이티타늄이골과직접유착되는것을확인하고 그것을골유착 이라고명명하면서 년에개발 임상에적용하기시작하였다 최초의세라믹임플란트지대주는 년 로서 알루미나지대주였다 알루미나지대주는심미성은좋으나세라믹이가지는한계로경도가너무높아형태수정이어렵고파괴인성이낮아조작중에종종파절이일어나기쉬워서단일치수복에국한되어사용되었다 이러한단점을극복하기위하여심미성은유지하면서 파절인성이높아잘깨지지않으며생체적합성이우수한지르코니아를이용한지대주가개발되었다 최초의지르코니아지대주는 년외측육각연결구조임플란트에적용되었으며 내부육각의정밀도를높이기위하여티타늄위에지르코니아를시멘트로붙인 사의 이소개되었다 전체가지르코니아로이루어진지대주는 및미국 한국에서소개되어임상에응용되고있다 티타늄임플란트에서골유착의속도와성질은표면특성과관련이있다 표면조성 친수성과거칠기는임플란트와조직간의상호작용과골유착의역할을하는변수들이다 지르코니아는생체적합성은기존의티타늄과비슷하거나우수한것으로알려져있고 장기간의안정성은현존하는세라믹중에서가장우수하며 파절에대한저항도는상전이강화기전 을통해증진된다 본논문에서는치과용임플란트나 합금등금속과세라믹간의접합에이용되는활성금속브레이징에관해서기술하고자한다 2. 금속과세라믹간의활성금속브레이징 2.1 금속과세라믹간접합기구 접합계면의구조금속과세라믹간의접합기구를해명하기위해서는접합부의계면구조를정확히파악하여야한다 접합계면은재료의조합및접합공정에의해서구조형태가달라진다 접합계면은일반적으로반응상의형성유무에따라반응상을갖는접합계면과반응생성물이없는접합계면으로분류할수있다 반응상을갖는접합계면접합계면의반응상은금속및세라믹을구성하는원소에의해생성되는각종화합물과모재세라믹및금속과의생성자유에너지차이에의한구동력으로생성된다 예를들면탄화규소혹은질화규소세라믹과 혹은 등 보다활성인원소를함유한합금이반응한경우는그계면에서각각 혹은 탄화물 질화물이반응생성물로형성된다 반응생성물이없는접합계면금속 세라믹계면에서의반응이일어나더라도분해한세라믹성분이금속내에고용 되는경우에는접합계면을매개로금속과세라믹은직접결합한다 또한반응상을형성하지않지만세라믹의입계등을국부적으로침식하여지그재그형상의계면을형성하여접합이이루어지는경우도있다 이경우도접합체의강도증가에크게기여한다 반응생성물의생성거동금속 세라믹의접합은계면에서반응상이형성되는경우가압도적으로많다 반응생성물은세라믹을구성하는원소의친화력이금속의경우보다작을때 또는금속 세라믹반응에의하여안정한복합화합물이형성되는경우에생성된다 일반적으로세라믹과금속을직접접합하는경우 계면에형성되는반응생성물의두께는접합시간의제곱근 에비례하여성장한다 그러나활성금속법과같이반응에관계하는금속원소의함유량이적은경우에는반응생성물의성장은단순히

3 기세호 박상윤 정재필 김원중 에비례하지않는다 cos 2.2 금속과세라믹간의계면에너지와편석현상금속 세라믹계면형성의구동력은금속과세라믹의표면이완전한접촉이이루어질때발생하는자유에너지의감소이다 은일반적인세라믹고체기판위의평형상태에있는액상이나고상의접촉각 를나타낸그림이다 형성된계면의단위면적당이에너지변화 Δ 는 식에의해주어진다 여기서 ϓ 과 ϓ 는각각금속과세라믹의표면에너지이고 ϓ 는금속 세라믹의계면에너지이다 가장단순한경우로서화학적으로만접합된상태의계면이금속이나세라믹의소성변형없이계면분리가일어날때의에너지변화 Δ 는고착일 과일치한다 여기서고착일이란단위면적의계면을원래의두개의표면으로분리하는데소요되는일을말하며 로 Δ 를대용한다면 다음과같이쓸수있다 이식으로부터고착일 가증가함에따라금속 세라믹계면에너지 ϓ 가감소함을알수있다 그러므로금속과세라믹간의결합력을증가시키는것은계면에너지의감소를의미하며 이러한역수적인관계가많은금속 세라믹계에서나타난다 에나타난바와같이 ϓ 나 는일반적으로세라믹고체기판위의평형상태에있는액상이나고상의접촉각 를측정하여유도된다 평형상태에서계면에너지들간의불균형은 식에의해주어진다 cos 이것을식 와결합하면 이식들은세라믹기판에서 일때액상금속 의퍼짐이일어나고 가 에접근할때완전한퍼짐이 일어난다는것을보여준다 일반적으로안정한금속 세라믹시스템에서접촉각은 온도가올라감에따라서서히감소하는데갑작스러운 접촉각의변화는계면구조의변화가있음을나타내는 것이다 여러 합금의알루미나와탄화규소세라믹에 대한접촉각실험결과어떤특정온도이상에서 의급 격한감소를보이는데이것은금속 세라믹의표면에부 동태산화막의파괴에기인한것으로보인다 한편이종재료간의접합특히활성브레이징에의한 금속 세라믹의접합에있어서는비평형반응유도젖음 의근원인편석현상이매우중요하다 표면 에대한불순물의편석은 흡착등온선과관계된 표면에너지변화를유발하는데이것은일정온도의묽 은 성분계에대해다음과같이표현된다 ln 여기서 Γ 는단위면적당과잉표면농도이고 ϓ 는표 면에너지변화 은기체상수 는온도 는불순물 의농도이다 이식의중요성은편석이고상의표면에 너지를감소시킬수있을때일어난다는것이다 이러 한관계는불순물의편석이계면에너지의감소를유발 하는금속 세라믹계면에대해서도적용될수있으며 이것이브레이징합금중의활성금속원소가표면에너지 가큰세라믹표면으로우선적으로편석하는현상의원 인이다 금속 세라믹계면과다른시스템과의중요한차이점 은불순물과계면과의상호작용이계면에서의결합상태 에의존한다는것이다 이것이단일금속계나세라믹 표면만을고려하여얻어진편석거동과오차가발생하는 원인이다 2.3 활성금속브레이징용금속 - 세라믹접합의요건 성공적인금속 세라믹간의접합체를얻기위해서는 세라믹의소결온도에서견딜수있는금속의사용과가 능한낮은온도에서소결이가능한도재의사용 그리 고사용하는금속과세라믹의열팽창계수의조화가있 다 그에따라요구되는성질은다음과같다

4 합금의활성금속브레이징 세라믹과의결합력금속 세라믹간의접합에서실패하는대표적인요인으로금속과세라믹의분리현상을들수있는데 이를줄이기위해서는상호간의결합력이우수해야만한다 세라믹과의열팽창계수차이금속 세라믹간의접합은제작과정에서많은온도의변화를일으키는데 금속및세라믹재료사이의열팽창계수가적절히조화를이루어야세라믹의파절 분리를방지하고강화현상도얻을수있다 우수한기계적성질반복되는저작력을지지할수있을정도의기계적성질을지녀야한다 특히긴유니트의브리지의경우에는이요건이매우중요하다 세라믹은취성이큰재료이므로압축력에는강하나인장력이나굽힘력에는매우취약하다 따라서굽힘력에의해파절될수있는데 브리지의경우금속구조물의강성계수 가충분해서세라믹에굽힘변형력이가해지지않도록지지할수있어야한다 우수한마무리및연마성마무리과정이용이해야하고 구강내에이식한상태에서다듬질과정을통해정확한변연형태를가질수있도록연성및전성이우수해야한다 우수한 고온에서도탄성계수를유지하여변형이일어나지않는성질을 라고한다 세라믹을소결하는온도에서도탄성계수가현저히감소해서는안된다 만약탄성계수가감소하여자체의무게에의해휘어지게되면그상태에서세라믹이소결되어부정확한결과를얻을수밖에없다 부식저항성다른치과용금속과마찬가지로부식에대한저항성이커서구강내에서안정하게유지될수있어야한다 우수한주조성금속 세라믹간활성금속브레이징용합금도일반적인치과주조용합금과같이주조과정을통해성형하기때문에주조성이좋고 주조과정도간편해야한다 색조자연치와유사한색을지닌것이심미성에좋다 특히앞니는치아의기능뿐만아니라인상을좌우하는심미적인측면까지고려해야한다 경제성임플란트는거의반영구적으로사용이가능하지만그에비해가격이비싸다 따라서가격이저렴하고재활용이쉬워야한다 Shear strength(mpa) Shear strength(mpa) 3. 활성금속브레이징연구동향 등은 필러금속과 (a) 820 (b) With holding Time 20 min Temperature( ) With brazing Temperature Holding time(min) 분말을사용하 여가압없는활성금속브레이징방법으로 지르코 니아와스테인리스스틸을접합하는방법에대해보고 하였다 브레이징층의미세구조 미세화학및반응 물을분석하여접합부의전단응력에영향을미치는브 레이징온도와유지시간에대해조사하였다 는브레이징온도와유지시간에따른접합부의 전단응력을나타낸것이다 브레이징온도나유지시 간이증가할수록전단강도가증가하는것을볼수있 다 그러나너무높은온도와너무긴유지시간은브레 이징부에더 한중간상을형성하기때문에전 단강도는오히려감소하였다 접합부의강도는브레이 징온도 와유지시간 분등최적의브레이징 조건에서약 의최대강도와 이상의 평균강도를얻었다 브레이징온도가유지시간보다 접합부의강도에더큰영향을준것으로나타났다 등은 브레이징합금을사용하여사 파이어와열처리된알루미나의접합에관하여보고하 였다 사파이어는진공에서 브레이징합 금을사용하여접합하였다 접합강도는알루미나의표

기세호 박상윤 정재필 김원중 면조건과활성금속브레이징조건에영향을받는다 최 대접합강도는 의온도에서 분간브레이징하였 을때약 을얻었다 는사파이어 알루미나의 단 면을보인것이다 에서는알루미나에어떠한 변화도확인할수없고브레이징합금과세라믹의중간 층만을확인할수있다 사파이어와알루미나간에좋

복합재와탄소기포안으로더 잘확산되었다 또한브레이징후인장테스트와전단테 스트를수행하였을때 파괴는항상기포부분에서발 생한다고보고하였다 은 접합 부의 이미지를보인것이다 경화된브레이징모재에서는약간어두운회색을띄는 상 과흰색을띄는 상 등의공정구조를확인할수있다 최근저자등은치과용임플란트의어버트먼트에적용하기위하여

결론 본논문에서는임플란트와 합금등의접합에적용되는활성금속브레이징에대하여기술하였다 금속은세라믹에비해열팽창계수가훨씬크기때문에 금속 세라믹접합체가고온에서접합후냉각될때금속은세라믹에비해더큰수축을하게된다 열팽창계수의차이와탄성계수가클수록변형률은커지는데

5 기세호 박상윤 정재필 김원중 면조건과활성금속브레이징조건에영향을받는다 최 대접합강도는 의온도에서 분간브레이징하였 을때약 을얻었다 는사파이어 알루미나의 단 면을보인것이다 에서는알루미나에어떠한 변화도확인할수없고브레이징합금과세라믹의중간 층만을확인할수있다 사파이어와알루미나간에좋 은접합부를얻기위해서는알루미나의표면거칠기 브 레이징온도 어닐링을통한잔류응력의제거등을고 려해야한다고보고하였다 등은샌드위치구조를가지는고전도성탄소 와티타늄의활성금속브레이징에대해보고하였다 복합재 기판 튜브로구성된샌드위 치구조의브레이징은 와포일을사 용하여성공적으로수행하였다 특히 가사용되었을때 복합재와탄소기포안으로더 잘확산되었다 또한브레이징후인장테스트와전단테 스트를수행하였을때 파괴는항상기포부분에서발 생한다고보고하였다 은 접합 부의 이미지를보인것이다 경화된브레이징모재에서는약간어두운회색을띄는 상 과흰색을띄는 상 등의공정구조를확인할수있다 최근저자등은치과용임플란트의어버트먼트에적용하기위하여 와 합금의접합연구를수행하고있다 합금브레이징결과 브레이징합금은양측모재표면에 되었으며 합금내부로브레이징합금확산으로인하여두모재의직접접합이관찰되었다 접합계면사이에접합부결함은관찰되지않았다 4. 결론 본논문에서는임플란트와 합금등의접합에적용되는활성금속브레이징에대하여기술하였다 금속은세라믹에비해열팽창계수가훨씬크기때문에 금속 세라믹접합체가고온에서접합후냉각될때금속은세라믹에비해더큰수축을하게된다 열팽창계수의차이와탄성계수가클수록변형률은커지는데 세라믹은금속에비하여열팽창계수가현저하게낮으므로자유표면의불연속적인변형으로인하여계면과자유표면의교차점근방에응력집중을발생시킨다 접합된세라믹과금속은냉각시자유롭게변형되지못하기때문에금속 세라믹접합체에서는잔류응력이발생하게된다 발생된잔류응력의크기는접합온도및모재간의열팽창계수차이 접합부위의설계및중간재의소성변형에의한잔류응력의흡수정도에따라변하게되며 세라믹의인장강도를초과하면파괴가일어나게된다 따라서성공적인금속 세라믹간의접합체를얻기위해서는사용하는금속과세라믹의열팽창계수의조화 적절한브레이징합금과조건등여러조건들을고려해야한다

6 합금의활성금속브레이징 감사의글 이논문은 년도서울시립대학교연구년교수연 구비에의하여연구되었습니다 참고문헌 네오바이오텍 기세호 년생 서울시립대학교대학원생 박사과정 브레이징 리드프레임 전해도금 정재필 년생 서울시립대학교교수 마이크로접합 전자패키징 전해도금 박상윤 년생 서울시립대학교대학원생 석사과정 전자패키징 전해도금 브레이징 김원중 년생 서울시립대학교교수 금속가공

Characteristic of Stainless Steel 304 vs. 316 STS 비교 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S S max 0.08

Characteristic of Stainless Steel 304 vs. 316 STS 비교 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S S max 0.08 304 vs. 316 STS 비교 304 316 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S30400 316 S31600 0.08 0.08 1.00 1.00 Mn P S Cr 2.00 2.00 0.045 0.045 0.050 0.050 18.00 20.00 16.00 18.00 Ni 8.00 10.5