전기 접점 재료의 제조 - 리벳, 플레이트, 분말 야금, 내부 산화 및 기타 기법

개요

전기 접점(electrical contacts)은 스위치, 릴레이, 차단기 등 전기 장치에서 필수적인 부품으로, 전류 전달, 아크 방전 억제, 용접 저항성 등의 기능을 수행한다.

이러한 접점의 성능은 재료의 전기 전도성, 열 전도성, 내마모성, 아크 침식 저항성에 크게 의존하며, 이를 최적화하기 위해 다양한 제조 방법이 개발되었다.

주요 재료로는 은(Ag)을 기반으로 한 순은, 합금(예: Ag-Cu, Ag-Ni), 복합재(예: Ag/CdO, Ag/SnO₂, Ag/C)가 사용되며, 환경 규제(예: 카드뮴의 독성)로 인해 Ag/SnO₂나 Ag/LSCO 같은 대체 재료가 부상하고 있다.

제조 방법은 주로 분말 야금(powder metallurgy), 내부 산화(internal oxidation), 리벳(rivet), 플레이트(plate) 형태로 분류되며, 이 외에 용융 주조(melt-cast), 기계 합금화(mechanical alloying) 등의 기법이 보완적으로 적용된다.

 

리벳(Rivet) 방법

리벳 방법은 접점을 리벳(강철이나 구리 등의 베이스에 고정되는 작은 핀 모양) 형태로 제조하는 기법으로, 저전류(20A 이하) 응용에서 경제적이다.

이 방법은 내부 산화나 분말 야금으로 제조된 와이어나 로드를 절단하고 헤딩(heading)하여 리벳 머리를 형성한 후, 베이스 플레이트나 캐리어에 기계적으로 고정(스테이킹 또는 리벳팅)한다.

과정은 다음과 같다:
(1) 내부 산화 또는 압출된 복합 재료 와이어 생산
(2) 절단 및 헤딩(저변형 비율로 머리 형성)
(3) 베이스에 리벳팅 또는 스테이킹

적용 재료: 순은(Ag 99.95%), Ag-Ni(90/10), Ag/CdO(90/10, 내부 산화), Ag/SnO₂(92/8), Ag/C(2-3 wt% 그래파이트).
Ag/CdO 리벳은 아크 침식 저항성이 우수하며, 자동차 릴레이에 적합하다.

장단점: 형성 용이성, 브레이징 적합성, 저비용 등의 장점이 있다.
단점으로는 고전류(>20A)에서 기계적 고정의 취약성과, 그래파이트 함량이 높을 경우(>3 wt%) 헤딩 시 균열 발생 가능성이 있다.

SEM 분석에 따르면, 내부 산화 Ag/CdO 리벳은 표면 근처에 미세 CdO 입자(직경 1-5 μm)가 분포하여 용접 저항성을 높인다.

응용 예: 마이크로 스위치, 자동차 릴레이, 저전압 차단기.
예를 들어, Ag/Ni 90/10 리벳은 10A 릴레이에서 아크 소호 특성을 발휘한다.

플레이트(Plate) 방법

플레이트 방법은 평판 형태의 접점(스트립 또는 시트)을 제조하며, 클래딩(cladding)이나 도금(plating)을 통해 베이스에 부착한다.

과정:
(1) 내부 산화 또는 압출된 복합 스트립 생산
(2) 순은 또는 Ag 합금 층 클래딩(핫 또는 콜드 롤링)
(3) 용접/브레이징으로 캐리어 부착

이는 리벳과 달리 넓은 접촉 면적을 제공하며, 고전류 응용에 적합하다.

적용 재료: Ag/CdO(클래드 Ag 백킹), Ag/SnO₂(88/12, In₂O₃ 첨가), Ag/Ni, Ag/Pd(30-60 wt%).
전기도금 은 코팅은 비은 접점의 접촉 저항을 줄인다.

장단점: 브레이징 용이성(800°C까지 안정), 부식 저항성 향상, 경제적 프로파일 생산 등의 장점이 있다.
단점으로는 클래딩 과정에서 층간 박리 가능성과 고온 소프트닝(예: Ag/CdO 스트립의 변형)이 있다.

내부 산화 Ag/CdO 플레이트는 산화물 고갈 영역을 피하기 위해 한쪽에 Ag 클래딩을 적용한다.

응용 예: 컨택터, 회로 차단기, 파워 스위치.
Ag/SnO₂ 클래드 플레이트는 DC 스위칭에서 안정적 물질 이동을 보인다.

분말 야금(Powder Metallurgy) 방법

분말 야금은 Ag 분말과 금속/산화물 분말을 혼합, 압축, 소결(sintering)하여 복합 재료를 제조하는 표준 기법이다.

불용성 성분(예: Ni, SnO₂)의 균일 분산이 가능하며, 고밀도 구조를 얻을 수 있다.

과정:
(1) 분말 혼합(드라이 블렌딩 또는 도핑)
(2) 압축(녹색 팁 형성)
(3) 소결(진공 또는 불활성 분위기, 800-900°C)
(4) 핫 압출 또는 PSR(press-sinter-repress)

적용 재료: Ag/Ni(10-40 wt% Ni), Ag/CdO(85/15), Ag/SnO₂(88/12, WO₃/MoO₃ 첨가), Ag/ZnO(90/10), Ag/C(2-6 wt% 그래파이트).

장단점: 고밀도(이론 밀도 99% 이상), 균질 미세구조, 아크 소호 특성 등의 장점이 있다.
단점은 고비용(인듐 첨가 시)과 방향성(압출 방향에 따른 특성 차이)이 있다.

응용 예: 릴레이, 컨택터, 진공 스위치.
Ag/WC(PSI 침투)는 고전압 차단기에 사용된다.

내부 산화(Internal Oxidation) 방법

내부 산화는 Ag 합금을 산소 분위기에서 가열하여 내부에 미세 산화물을 형성하는 기법으로, Ag/CdO나 Ag/SnO₂ 생산에 특화된다.

과정:
(1) Ag-Sn/Cd 합금 용융
(2) 600~800°C 산화
(3) 산화물 석출
(4) 압연 또는 드로잉

적용 재료: Ag/CdO(10-15 wt% CdO), Ag/SnO₂(2-14 wt% SnO₂, In₂O₃ 첨가).

장점: 미세하고 균일한 산화물 분포로 용접 저항성, 아크 저항성 향상.
단점: 인듐 비용 상승, 중심부 산화 불균일, Cd 독성.

응용 예: 파워 스위치, 릴레이.
Ag/SnO₂ POX1(10 wt% SnO₂)은 Cd-free 대체재로, 아크 침식률이 15% 낮다.

추가 제조 방법

용융 주조(Melt-Cast): Ag와 Cu, Ni, Pd 등을 용융 후 주조·압연하는 방식.
기계 합금화(Mechanical Alloying): 고에너지 볼 밀링으로 Ag/LSCO 복합 분말을 제조 후 소결.
이 두 방법은 환경 친화성과 미세구조 제어를 강화한다.

Manufacturing Methods of Electrical Contact Materials

Rivet, Plate, Powder Metallurgy, Internal Oxidation, and Other Techniques

Introduction

Electrical contacts are essential components in switches, relays, and circuit breakers.
They perform functions such as current transmission, arc suppression, and welding resistance.

The performance of these contacts strongly depends on electrical and thermal conductivity, wear resistance, and arc erosion resistance.
To optimize these properties, various manufacturing methods have been developed.

Major materials include silver (Ag), Ag alloys (e.g., Ag-Cu, Ag-Ni), and composites (e.g., Ag/CdO, Ag/SnO₂, Ag/C).
Due to environmental regulations restricting cadmium use, alternative materials such as Ag/SnO₂ and Ag/LSCO have emerged.

Manufacturing techniques are mainly categorized into powder metallurgy, internal oxidation, rivet, and plate methods.
Supplementary processes such as melt-casting and mechanical alloying are also applied.

This document focuses on the four main methods—rivet, plate, powder metallurgy, and internal oxidation—covering their processes, materials, advantages, disadvantages, and applications.

Rivet Method

The rivet method produces contacts in pin form, fixed mechanically onto a metal base such as copper or steel.
It is cost-effective for low-current applications (below 20A).

Wires or rods made via internal oxidation or powder metallurgy are cut, headed, and staked onto the carrier.

Process:
(1) Production of internally oxidized or extruded composite wire
(2) Cutting and heading (forming the head under low deformation ratio)
(3) Riveting or staking onto the base plate

Materials: Pure Ag (99.95%), Ag-Ni(90/10), Ag/CdO(90/10), Ag/SnO₂(92/8), Ag/C(2-3 wt%).
Ag/CdO rivets offer excellent arc erosion resistance and are suitable for automotive relays.

Advantages: Easy forming, good brazing compatibility, and low cost.
Disadvantages: Mechanical weakness under high current (>20A), and cracking during heading if graphite content exceeds 3 wt%.

SEM analysis shows that internally oxidized Ag/CdO rivets have fine CdO particles (1–5 μm) distributed near the surface, improving welding resistance.

Applications: Micro switches, automotive relays, and low-voltage circuit breakers.
For example, Ag/Ni 90/10 rivets exhibit effective arc-quenching properties in 10A relays.

Plate Method

The plate method produces flat contacts (strip or sheet form) that are attached to a base through cladding or plating.
This method provides a larger contact area and is suitable for high-current applications.

Process:
(1) Production of internally oxidized or extruded composite strip
(2) Cladding with pure Ag or Ag alloy layer (hot or cold rolling)
(3) Welding or brazing onto the carrier

Materials: Ag/CdO (clad with Ag backing), Ag/SnO₂(88/12, In₂O₃ added), Ag/Ni, Ag/Pd(30–60 wt%).
Electroplated Ag coating reduces the contact resistance of non-silver contacts.

Advantages: Excellent brazing stability (up to 800°C), improved corrosion resistance, and economical profile production.
Disadvantages: Possible interlayer delamination during cladding and thermal softening of Ag/CdO strips.

Internally oxidized Ag/CdO plates apply Ag cladding on one side to avoid oxide-depleted zones.

Applications: Contactors, circuit breakers, and power switches.
Ag/SnO₂ clad plates show stable material transfer under DC switching conditions.

Powder Metallurgy

Powder metallurgy mixes Ag powder with metallic or oxide powders, compacts, and sinters them into composite materials.
It allows uniform dispersion of insoluble components such as Ni or SnO₂.

Process:
(1) Powder mixing (dry blending or doping)
(2) Compacting (forming green tips)
(3) Sintering (vacuum or inert atmosphere, 800–900°C)
(4) Hot extrusion or PSR (press-sinter-repress)

Materials: Ag/Ni(10–40 wt% Ni), Ag/CdO(85/15), Ag/SnO₂(88/12, WO₃/MoO₃ added), Ag/ZnO(90/10), Ag/C(2–6 wt%).
The particle size of Ag powder (1–10 μm) determines the sintered density.

Advantages: High density (>99% of theoretical), excellent arc-quenching properties, and fibrous microstructure (e.g., Ag/Ni fibers resist up to 100A erosion).
Disadvantages: High cost (especially when indium is added) and anisotropy in mechanical and electrical behavior.

Cr-doped Ag/SnO₂ produced via sol-gel and powder metallurgy shows a 20% improvement in arc erosion resistance.

Applications: Relays, contactors, and vacuum switches.
Ag/WC (via PSI infiltration) is used in high-voltage circuit breakers, achieving a density of 15–17 g/cm³.

Internal Oxidation

Internal oxidation forms fine oxide precipitates within Ag alloys by heating them in an oxygen-rich environment.
It is mainly used for producing Ag/CdO and Ag/SnO₂ materials.

Process:
(1) Melting Ag-Sn/Cd alloy (in vacuum or inert atmosphere)
(2) Heating in oxygen (600–800°C, following parabolic rate law: x² = kₚt)
(3) Oxide precipitation (CdO, SnO₂)
(4) Drawing and rolling

Materials: Ag/CdO(10–15 wt% CdO), Ag/SnO₂(2–14 wt% SnO₂, In₂O₃ added), ARGODUR 32(Ag-0.5 wt% MgO/NiO).

Advantages: Fine and uniform oxide distribution (1–5 μm), enhanced arc and welding resistance, and high-temperature stability (brazing up to 800°C).
Disadvantages: High indium cost, oxide depletion in the core (25% thickness unoxidized), and cadmium toxicity.

Applications: Power switches and relays.
Ag/SnO₂ POX1 (10 wt% SnO₂) is an eco-friendly alternative with 15% lower arc erosion rate compared to Ag/CdO.

Additional Techniques

Melt-Casting: Alloying Ag with Cu, Ni, or Pd, followed by casting, annealing, and rolling.
Materials: AgCu3 (3 wt% Cu), AgPd30.
Advantages: Improved mechanical strength (hardness 80–100 HV).
Disadvantages: Reduced conductivity (AgCu3 ≈ 90% IACS).
Applications: 10A switches.

Mechanical Alloying: High-energy ball milling of Ag with LSCO particles, followed by PSR sintering at 880°C.
Material: Ag/LSCO(12 wt% LSCO).
Advantages: No indium required, high uniformity (density 9.72 g/cm³, resistivity 3.10 μΩ·cm), CdO replacement.
Disadvantages: Risk of contamination.
Compared to conventional powder metallurgy, mechanical alloying provides ~25% better arc resistance.

추가 정보

검색엔진용 요약

전기 접점 소재 제조 방식은 단순히 합금을 “만드는” 단계가 아니라, 미세조직(분산상, 기공, 확산층)과 표면 상태(산화막, 거칠기, 잔류 오염)를 동시에 설계하는 공정 체계입니다. 같은 조성이라도 분말야금(P/M), 내부산화(IO), 클래딩(Cladding), 주조-가공(ingot metallurgy) 등 제조 루트가 달라지면 아크 침식, 용접(융착), 접촉저항 안정성에서 결과가 달라질 수 있습니다. 따라서 적용 부하(AC/DC), 개폐 사이클, 환경(황화/염수/고습), 후공정(도금·세정·접합)까지 포함해 제조 방식의 선택 기준을 정리하는 흐름이 유효합니다.

핵심 포인트

  • 접점 성능은 “조성”만으로 결정되기 어렵고, 분산상 크기/균일도, 기공률, 확산층 두께 같은 미세구조가 핵심 변수로 작동할 수 있습니다.
  • 분말야금(P/M)은 산화물 분산(Ag-MOx 등)과 균질도 확보에 유리한 접근으로 언급되며, 소결·압연·압출 조건이 품질 편차를 좌우할 수 있습니다.
  • 내부산화(IO)는 은-금속 합금 내부에서 산화물을 형성해 분산시키는 개념으로, 산화 깊이와 분산 균일성이 중요 포인트가 됩니다.
  • 클래딩(Cladding)은 기능층(접촉층)과 기재층을 금속적으로 결합해 비용/기능을 분리 설계하는 방식으로, 계면 결합 품질이 핵심입니다.
  • 주조-가공 루트는 합금 설계와 열처리/가공 이력에 의해 경도와 전도 특성이 달라질 수 있어, 공정 이력 관리가 중요해집니다.
  • 형상화(리벳 헤드, 와이어, 스트립, 팁)는 가공 과정의 균열/박리/편석이 성능 변동으로 연결될 수 있어 공차·결함 관리가 필요합니다.
  • 접합(브레이징/저항용접/리벳팅)과 후공정(세정/도금)은 접촉저항과 내환경성을 바꿀 수 있어 제조 방식과 함께 검토합니다.
  • 검증은 물성표보다 사이클 테스트(용접 발생률, 침식량, 저항 추이)와 단면/표면 관찰을 함께 보는 방식이 실무에 가깝습니다.

FAQ

Q1. 전기 접점 소재 제조 방식이 왜 성능에 큰 영향을 주나요?

접점은 벌크 물성보다 표면과 계면(미세 접촉점, 산화막, 재응고층)에 의해 접촉저항과 아크 거동이 결정되는 경우가 많습니다. 제조 방식은 산화물 분산, 기공, 확산층, 표면 결함을 좌우하므로 동일 조성이라도 수명과 안정성이 달라질 수 있습니다.

Q2. 분말야금(P/M) 기반 접점은 어떤 장점이 있나요?

분말 혼합과 소결을 통해 산화물 분산 복합체(Ag-MOx)처럼 “역할 분담”이 필요한 소재를 구현하기에 유리한 접근으로 언급됩니다. 다만 소결 밀도, 기공률, 분산 균일도 관리가 부족하면 접촉저항 변동과 마모 편차가 커질 수 있어 공정 관리가 중요합니다.

Q3. 내부산화(IO) 방식은 무엇이며 언제 고려되나요?

내부산화는 합금 내부에 산화물을 형성해 분산시키는 개념으로, 산화 깊이와 분산 상태가 성능에 영향을 줄 수 있습니다. Ag 계열에서 아크/융착 거동을 제어하려는 목적과 결합해 언급되는 경우가 있으며, 조건 정의(온도·시간·분위기)가 중요해집니다.

Q4. 클래딩(Cladding) 접점 스트립은 왜 사용하나요?

접촉층은 귀금속/기능 재료로, 기재층은 기계적 지지나 비용 최적화를 위한 재료로 분리해 설계할 수 있기 때문입니다. 이때 계면 결합 품질(박리, 확산, 계면 결함)이 제품 신뢰성에 영향을 줄 수 있어 계면 검증이 함께 진행됩니다.

Q5. 와이어/리벳/팁 형태로 만들 때 주의할 점은 무엇인가요?

압연·압출·절단·성형 과정에서 미세 균열, 편석, 표면 결함이 발생하면 개폐 반복 시 침식과 저항 변동으로 증폭될 수 있습니다. 따라서 가공 공정의 윤활/열 이력, 버 관리, 표면 세정과 같은 “형상화 공정 품질”이 최종 성능에 영향을 줍니다.

Q6. 접점 소재는 어떻게 조립(접합)되며, 제조 방식과 어떤 관계가 있나요?

리벳팅, 저항용접, 브레이징 등 다양한 방식이 사용되며, 열 입력과 접촉면 상태가 제조 방식(미세조직, 분산상)과 상호작용할 수 있습니다. 접합부 품질이 불안정하면 접촉저항 변동과 과열이 증가할 수 있어, 소재 선택과 접합 방식은 분리해 보기 어렵습니다.

Q7. 도금/세정 같은 후공정은 제조 방식보다 덜 중요한가요?

후공정은 초기 접촉저항과 내환경성에 직접 영향을 줄 수 있어, 제조 방식과 동일 선상에서 검토되는 경우가 많습니다. 전처리(세정) 불량이나 도금 결함(기공, 박리)은 성능 변동의 기점이 될 수 있으므로 목적과 조건을 명확히 하는 편이 좋습니다.

Q8. “물성표는 좋은데 현장 수명이 짧다”는 경우에 무엇을 의심해야 하나요?

시험 조건과 실제 조건의 차이(바운스, 환경 가스, 진동), 표면 상태(오염/산화), 제조 루트(기공/분산 불균일), 접합 품질이 대표 원인으로 언급됩니다. 접점은 표면과 계면이 지배적인 시스템이므로, 단면 관찰과 사이클 테스트 결과를 함께 놓고 원인을 좁혀가는 방식이 실무적입니다.

Q9. 제조 방식 비교를 위한 최소한의 평가 항목은 무엇인가요?

접촉저항의 초기값과 사이클 후 추이, 용접(융착) 발생률, 아크 침식량, 마모량을 동일 조건에서 비교하는 흐름이 흔합니다. 필요 시 단면(분산상/기공/확산층)과 표면(재응고층, 크랙, 산화)을 함께 확인하면 제조 방식의 차이를 해석하기 쉬워집니다.

관련 주제 확장

1) 제조 루트별 미세구조 차이: 분산상·기공·확산층

접점 성능은 산화물 분산의 균일도, 기공률, 계면 확산층의 형성 양상에 의해 크게 달라질 수 있습니다. 분말야금은 분산상 설계에 유리한 반면 밀도/기공 관리가 중요해지고, 클래딩은 계면 결합 품질이 핵심이 됩니다. 내부산화는 산화 깊이와 분산 상태가 변수로 작동하므로, 공정 조건(시간·분위기) 관리가 중요한 항목으로 연결됩니다.

2) 아크·융착·마모의 우선순위 정렬 방법

고전류 스위칭에서는 융착 방지와 침식 저감이 우선이 되는 경우가 많고, 미신호/저전류에서는 접촉저항 안정성이 더 민감하게 작동할 수 있습니다. 제조 방식은 표면 재형성(용융-재응고)과 분산상 거동에 영향을 주므로, 목표 고장 모드에 따라 선택 기준이 달라질 수 있습니다. 따라서 “어떤 고장 모드를 줄이려는가”를 먼저 정의한 뒤 제조 루트를 비교하는 흐름이 유효합니다.

3) 형상화 공정(스트립·와이어·리벳)과 품질 편차의 연결

접점 소재는 최종적으로 스트립, 와이어, 리벳 헤드, 팁 형태로 가공되며, 이 과정에서 표면 결함과 잔류 응력이 누적될 수 있습니다. 가공 결함은 초기에는 보이지 않더라도 사이클 중 온도 상승과 아크로 증폭될 수 있어, 공정 이력과 검사 항목의 연결이 중요해집니다. 실무에서는 형상 공정의 공차, 버, 표면 세정, 윤활 잔류 관리가 성능 안정성으로 이어지는지 확인합니다.

4) 후공정(세정·도금)과 제조 방식의 조합 설계

도금은 접촉저항과 내환경성을 보완할 수 있지만, 제조 루트에 따라 표면 활성도와 결함 민감도가 달라질 수 있습니다. 전처리 세정이 부족하면 기공/박리 같은 결함이 생기고, 잔류 오염은 장기 저항 변동을 키울 수 있습니다. 따라서 제조 방식과 후공정은 분리된 단계가 아니라 하나의 시스템으로 보고 목적에 맞게 조건을 정의하는 편이 좋습니다.

내부 링크

전기 접점 소재의 적용 분야와 선택 기준을 함께 정리하려면 전기 접점(Electrical Contacts) 안내 페이지의 소재/응용 섹션을 함께 참고하는 방식이 도움이 됩니다. 제조 이후 표면 안정화 관점은 전기접점 후공정 도금 가이드와 연결해 이해할 수 있습니다.

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