전기적 접점 재료의 대표주자, Ag-Cd 및 Ag-CdO 합금

개요 (Introduction)

전기적 접점(Electrical Contact)은 전류의 개폐, 신호 전달, 전력 제어 등 다양한 산업 장비의 핵심 구성 요소로, 재질 선택이 시스템의 신뢰성과 수명에 직접적인 영향을 미친다.
그중 은-카드뮴(Ag-Cd) 및 은-산화카드뮴(Ag-CdO) 계열은 오랜 기간 동안 스위치, 릴레이, 접촉기 등 중전류 제어 장치에서 대표적인 접점 소재로 사용되어 왔다.
이 재료들은 은의 우수한 전기 전도성과 카드뮴의 안정된 열적·기계적 특성을 결합하여, 내마모성과 아크(Arc) 내구성을 동시에 확보할 수 있는 고성능 합금으로 평가된다.

소재 구성 및 기본 특성

일반적인 Ag-Cd 접점은 은 84~90%, **카드뮴 또는 산화 카드뮴 약 10%**로 구성된다.
은은 금속 중 가장 높은 전기 및 열전도도를 가지며, 접촉 저항이 낮고 열 축적이 적다.
여기에 Cd 또는 CdO가 분산되면 아크로 인한 표면 침식과 마모를 효과적으로 억제할 수 있다.

순수 은 접점은 부드러운 연성으로 인해 용착(welding)에 취약하지만, Cd 또는 CdO를 첨가하면 미세 산화입자가 분산되어 경도와 강도가 향상된다.
그 결과, Ag-CdO 접점은 높은 개폐 전류 환경에서도 안정적인 전기적 접촉을 유지할 수 있다.

전기적 및 기계적 특성

전기 전도도 및 접촉 저항

Ag-Cd 재료는 순수 은보다 약간 낮은 전도도를 보이지만, 실용적으로는 차이가 거의 없다.
CdO 입자의 균일 분포는 열 집중을 방지하여 장기적으로 안정된 접촉 저항을 유지한다.

내마모성 및 아크 저항성

접점을 개폐할 때 발생하는 전기 아크는 수천 도의 온도를 형성한다.
Ag-CdO 접점은 CdO 입자가 분해되며 방출하는 산소가 아크를 냉각시켜 표면 손상을 줄인다.
이로써 침식과 변형이 감소하며, 긴 수명과 우수한 내구성을 확보한다.

기계적 강도 및 경도

CdO 분산 효과로 인해 Ag-CdO 합금의 경도는 60 HV 이상으로 상승한다(순수 은 약 25~30 HV).
이 덕분에 반복 개폐 충격에도 변형이 적고, 스위치 반복 수명 시험에서 우수한 결과를 보인다.

열전도 특성

은의 높은 열전도성이 접점에서 발생하는 열을 빠르게 확산시키며,
CdO 분산으로 열전도율은 다소 감소하지만 전체적인 열 안정성은 유지된다.

제조 공정 및 미세조직 제어

내부 산화법 (Internal Oxidation)

Ag-Cd 합금을 산화 분위기에서 처리해 내부에 CdO 입자를 형성하는 방식이다.
이 방법은 균일하고 미세한 산화입자 분포를 얻을 수 있어 전기적 안정성과 마모 저항성 향상에 유리하다.

분말야금법 (Powder Metallurgy)

Ag 분말과 CdO 분말을 혼합·소결하여 제조하는 방식으로,
대량 생산에 적합하고 다양한 형상 가공이 가능하다.
다만, 입자 분산 불균일 시 전기 특성 편차가 생길 수 있으므로, **미세 분말(1 μm 이하)**을 사용하거나 냉간 압연 공정을 병행하기도 한다.

미세조직과 성능의 상관관계

접점의 내구성은 CdO 입자의 크기와 분포에 따라 달라진다.
0.5~1 μm 수준의 입자 크기가 가장 이상적이며,
균질한 미세조직은 국부 열 집중을 방지해 장기적 안정성을 보장한다.

환경적 고려 및 대체 소재 연구

카드뮴은 유해 중금속으로, EU RoHS·REACH 규제에 따라 사용이 제한되고 있다.
이에 따라 Cd-Free 대체 소재 연구가 활발히 진행 중이며, 대표적으로
Ag-SnO₂(은-산화주석), Ag-ZnO(은-산화아연), Ag-CuO(은-산화구리) 계열이 연구되고 있다.

이들 소재는 환경 친화적이고 카드뮴을 포함하지 않지만,
일부는 전도성 및 용착 저항성에서 여전히 Ag-CdO 대비 한계가 있어,
표면 처리·합금화 기술의 추가 개선이 병행되고 있다.

응용 분야 및 산업적 의의

Ag-CdO 접점은 다음과 같은 장비에 널리 사용된다:

• 고전류 릴레이 및 접촉기

• 전력 차단기, 계전기

• 자동차용 전자 스위치

• 중전압 제어 패널 등

높은 내마모성과 안정된 전도 특성 덕분에 유지보수 비용 절감 효과가 크며,
특히 고빈도 개폐 장비에서 탁월한 신뢰성을 보인다.

최신 연구 동향

최근 연구는 다음과 같은 방향으로 진전되고 있다:

• 나노 복합화(Nano-composite) 기술 : 100 nm 이하의 CdO 입자 분산을 통한 아크 저항 향상

• 표면 개질 및 플라즈마 코팅 : 접촉면 내산화성 강화

• FEA(유한요소해석) 기반 열·전자 거동 시뮬레이션 : 접점 열화 예측 및 최적화

이러한 접근은 소재 설계와 실제 사용 조건을 정밀하게 연결해주는 핵심 기술로 주목받고 있다.

결론 (Conclusion)

은-카드뮴 계열 전기 접점은 여전히 산업용 전력 제어 시스템의 기준점(benchmark) 으로 평가된다.
우수한 전기적 특성과 내아크성을 동시에 갖춘 이 재료는 오랜 기간 신뢰받아 왔으며,
현재는 환경 규제 대응을 위한 Cd-Free 소재 개발로 발전 방향이 전환되고 있다.

향후 발전은 미세조직 제어 기술, 친환경 대체 산화물 최적화,
그리고 접점 열화 해석의 정밀화로 이어질 전망이다.

참고 문헌 / 추천 논문

• “Metallurgical study of Ag-Cd and Ag-CdO alloy electrical contacts” – H. Furtado et al.

• “Composite Electrical Contacts Based on Silver” (TMT 2006) – Ag-CdO 구조 및 제작 방식 집중

• “Electrical contact materials based on silver” – Belgrade Institute

• “Research on the Influence of Different Oxide Particles on Properties of AgCdO Contact Material” – 산화 입자 크기 영향 연구

• “Research and application progress of silver-based contact materials in low voltage apparatus” – 최신 리뷰 논문 (2024)