전기접점 소재 선택의 중요성
개요 – 왜 전기접점 소재가 중요한가
전기접점(electrical contact)은 전기 회로에서 전류를 실제로 “통과시키고 끊는” 지점입니다. 이 작은 접촉부가 스위치, 릴레이, 차단기, 커넥터 전체의
시스템 신뢰성(reliability)
수명(lifetime)
에너지 효율(energy efficiency)
을 사실상 결정합니다.
좋은 접점 소재는 다음 특성들을 동시에 만족해야 합니다.
낮은 전기저항(electrical resistivity) → 발열 및 손실 최소화
높은 열안정성(thermal stability) → 반복 아크에도 구조 유지
우수한 내마모성(wear resistance) → 기계적 마모 감소
아크 에로전(arc erosion) 저항성 → 용융·증발·산화에 대한 내성
예를 들어,
은 기반 MMC(Ag-based MMC)는 저전압 스위칭(low-voltage switching)에 매우 유리하고
구리 기반 MMC(Cu-based MMC)는 고전압 슬라이딩 접점(high-voltage sliding contacts)이나 열 관리(thermal management) 시스템에 더 적합한 것으로 보고됩니다.
아래에서는 산업 현장에서 실제로 많이 쓰이는 소재인
은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd)을 중심으로
기본 특성
아크 에로전 메커니즘
최신 연구 방향
적용 분야와 선택 가이드
를 나누어 설명합니다.
1. 은(Silver, Ag) 및 은 기반 합금
1-1. 순은(Fine silver): 전도도 기준 소재
은(silver, Ag)은 전기접점 소재의 “기준점” 역할을 합니다.
전기전도도: 국제 어닐드 구리 표준(IACS) 대비 거의 100% 이상
열전도도: 대략 400 W/m·K 수준으로 매우 높음
순도 99.9% 이상의 순은은 접촉저항이 가장 낮아 발열을 최소화
하지만 단점도 분명합니다.
황(S), 염소(Cl)에 의한 황화(sulfidation), 염화(chloridation)로
표면에 오염 필름이 형성 → 접촉저항 증가금속이 상대적으로 부드러워 마모와 변형에 취약
아크 부하가 큰 환경에서는 용착(welding)과 스패터(spatter) 발생 가능
그래서 순은은
저·중전류 스위치, 릴레이
일반 가정용, 산업용 저전압 스위칭 부품
에 여전히 많이 쓰이지만, 고전류·고아크(high-current / high-arc)에서는 보통 합금 또는 복합재 형태가 사용됩니다.
1-2. Ag-Cu, Ag-SnO₂, Ag-CdO – 합금과 산화물 복합재
Ag-Cu, Ag-SnO₂, Ag-CdO – alloys and oxide composites
Ag-Cu 합금 (은-구리, Ag-Cu alloy)
대표 예: 스털링 실버(Sterling silver, 약 92.5% Ag)
순은 대비 경도(HV)가 증가 → 변형과 마모에 강해지고
아크 용착률이 약 20~30% 감소하는 것으로 보고됨
일반 릴레이, 범용 스위치 등에서 많이 사용
Ag-CdO (은-카드뮴 산화물)
오랫동안 파워 스위칭용(power switching) 표준 소재
장점:
아크 내성(arc resistance)이 매우 높음
반복 개폐 시에도 비교적 안정적인 접촉저항 유지
단점:
CdO(카드뮴 산화물)가 독성이 있어 RoHS 등 환경 규제 대상
결과: 신규 설계에서는 점점 대체 소재로 전환되는 추세
Ag-SnO₂ (은-주석 산화물)
Ag-CdO의 대표적인 친환경 대체재
고전류(50A 이상) 환경에서
아크 지속 시간을 10~20% 정도 단축
내마모성을 2배 가까이 향상시키는 연구 결과들이 보고됨
CuO 첨가 시
SnO₂ 입자의 거친 집적(agglomeration)을 줄여
접촉저항 증가를 억제
희토류(rare-earth, 예: La, Y) 도핑 시
열안정성 강화
아크 에로전 시 용융 풀(molten pool)이 더 안정적으로 유지
정리하면, Ag-SnO₂는
저전압 차단기, 콘택터, PV 인버터 릴레이 등
고피크 전류와 반복 아크가 있는 환경에서
친환경성과 성능을 동시에 노리는 대표 소재입니다.
1-3. 은 기반 MMC 및 나노 강화 – CNT, 그래핀
Ag-based MMCs and nano-reinforcement
최근에는 은 기지(matrix)에 세라믹 또는 나노 탄소 재료를 넣는 MMC가 활발히 연구되고 있습니다.
Ag-TiN, Ag-CNT 강화 복합재
마찰 계수(friction coefficient)를 낮추고
10만 회 이상 스위칭 사이클에서도 안정적인 접촉 특성을 유지
그래핀 나노플레이트(graphene nanoplatelet) 첨가
아크 시 용융 은(Ag)의 과도한 스패터 방출을 줄이고
표면 형상과 전도 경로를 안정화시키는 방향으로 보고됨
한마디로, 은 기반 MMC는
기본적으로 뛰어난 전도성
아크 에로전 및 마모에 대한 보강
을 동시에 노리는 고급 소재군이라고 볼 수 있습니다.
2. 금(Gold, Au) 및 금 합금
금(gold, Au)은 산화되지 않는 귀금속으로,
부식(corrosion)
습도(humidity)
오염(contamination)
환경에서도 접촉 안정성이 매우 뛰어납니다.
10⁶ 사이클 이상 동작 후에도 접촉저항 변화가 거의 없는 수준(<1%)
전기전도도는 은보다 낮지만(대략 70~75% IACS 수준)
미세전류·저전압 영역에서는 사실상 최상급 신뢰성을 제공합니다.
2-1. 금 및 Au-Pd 합금의 특징
표면 산화층이 거의 형성되지 않아
mV, mA 단위의 미세 신호에서도 안정적인 접촉 유지Au-Pd 합금은
순금 대비 마모와 용착을 줄이고
RF 커넥터에서 신호 손실을 5% 미만으로 억제하는 것으로 보고
적용 분야는 다음과 같습니다.
정밀 전자기기(precision electronics)
센서(sensor), 계측기기
고주파·고속 통신 장비(5G 인프라용 커넥터, 릴레이 등)
2-2. 금 도금(Gold plating)과 두께 설계
금은 소재 자체 가격이 매우 높기 때문에,
통상 0.5~1 μm 수준의 얇은 도금층(thin gold plating)으로 적용
반복 마찰, 체결이 많은 커넥터에서는
도금층이 마모되면 하부 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 합금이 노출
이때부터 부식과 접촉저항 상승이 급격히 진행
따라서 설계 단계에서
요구 체결·분리 횟수(예: 10,000/50,000/100,000 회)에 맞춰
최소 금 도금 두께를 명확히 규정하는 것이 중요합니다.
3. 구리(Copper, Cu) 및 구리 합금
구리(copper, Cu)는
은 다음으로 높은 전기전도도(거의 100% IACS)
가격이 상대적으로 매우 저렴
하여 대량 생산에 매우 유리한 소재입니다.
하지만 단점도 분명합니다.
산화에 매우 취약 → 산화막이 형성되면 접촉저항이 크게 증가
순구리의 경도(HV 50~80)가 낮아 기계적 변형에 취약
아크 에로전 시 표면 변색(tarnishing)과 크랙(crack)이 발생하기 쉬움
이를 보완하기 위해 사용되는 대표적인 형태가
Cu-Cr, Cu-W와 같은 Cu 기반 MMC
은(Ag) 또는 주석(Sn) 도금으로 표면 보호
입니다.
예를 들어,
Cu-20Cr 합금은 고전압 스위칭 시
아크 지속 시간을 단축하고
에로전 질량 손실을 줄이는 데 유리한 것으로 보고
CNT 강화 Cu-Cr(Cu-Cr-CNT) 복합재는
용융 풀(molten pool)의 점성을 높여
아크 에로전 시 금속의 스플래싱(splashing)을 억제하는 방향으로 연구되고 있습니다.
적용 분야는
부스바(busbar)
대형 전류 접촉부(고전류 단자, EV 파워 커넥터)
비용이 중요한 대량 생산용 릴레이, 단자
등이 대표적입니다.
4. 텅스텐(Tungsten, W) 및 텅스텐 합금 – 고온·고아크 환경의 방패막
텅스텐(tungsten, W)은
매우 높은 용융점(약 3422°C)
높은 강도(strength)와 경도(hardness)
로 인해 아크 내성이 탁월한 소재입니다.
하지만
전기전도도는 은·구리보다 낮고
가공성이 좋지 않기 때문에
실제 전기접점에서는 보통 복합재 형태로 사용됩니다.
대표 조합은
Ag-W (은-텅스텐 복합재)
W-Cu (텅스텐-구리 복합재)
Mo-W-Cu 계 복합재
등입니다.
이들 소재는 다음과 같은 환경에서 사용됩니다.
고전압 차단기(high-voltage circuit breaker)
가스 절연 개폐기(GIS)
탭 체인저(tap-changer)
용접 장비(welding equipment)
최근 연구에 따르면
텅스텐 함량이 높아질수록
아크 내성과 에로전 저항은 좋아지지만
전기전도도는 감소하는 명확한 트레이드오프가 존재
스파크 플라즈마 소결(SPS, spark plasma sintering) 등 공정으로
미세구조 균일성
기공(porosity) 제어
를 통해 성능을 미세 조정하고 있습니다.
5. 팔라듐(Palladium, Pd) 및 Pd 합금 – Au의 실용적 대체재
팔라듐(palladium, Pd)은
금보다 약간 저렴하면서도
내식성(corrosion resistance)과 고온 안정성이 우수한 귀금속
입니다.
특징은 다음과 같습니다.
전기전도도는 은 대비 약 80% 수준
Pd-Cu, Ag-Pd 합금은
100만 사이클 수준의 반복 개폐 후에도 마모량과 접촉저항 증가가 상대적으로 작게 나타나는 것으로 보고
아크 에로전 시 bridge erosion(브리지 에로전)이 적고,
용착 경향이 낮다는 장점이 있습니다.
적용 분야는
자동차 전장 부품(특히 고습·고온 환경)
정밀 릴레이(precision relay)
통신기기(5G 릴레이, 커넥터 등)
이며, Au-Pd 층상 구조는
Au의 뛰어난 저저항 특성과
Pd의 내식·내마모 특성을 동시에 노리는 설계로 주목받고 있습니다.
6. 소재별 주요 물리·전기적 특성 비교
대표 전기접점 소재의 기본 물성 비교
| 소재(Material) | 전기전도도 (IACS, %) | 경도 (HV) | 용융점 (°C) | 열전도도 (W/m·K) | 상대 가격 수준(Relative cost) |
|---|---|---|---|---|---|
| 은 (Ag) | 100 ~ 105 | 75 ~ 200 | 약 961 | 약 400+ | 중간 |
| 금 (Au) | 70 ~ 75 | 200 ~ 250 | 약 1064 | 약 300+ | 매우 높음 |
| 구리 (Cu) | 100 ~ 102 | 50 ~ 80 | 약 1085 | 약 400 | 낮음 |
| 텅스텐 (W) | 30 ~ 35 | 300 ~ 400 | 약 3422 | 약 170 | 중간 |
| 팔라듐 (Pd) | 80 ~ 90 | 150 ~ 200 | 약 1555 | 약 70 | 높음 |
이 표에서 볼 수 있듯이
전도도·열전도도만 보면 은·구리가 유리하지만
고온·고아크 환경에서는 텅스텐 계열이 필수적이며
부식·환경 안정성 측면에서는 금·팔라듐 계열이 압도적입니다.
7. 아크 에로전 및 스위칭 성능 비교
아크 에로전(arc erosion)은 접점 수명에 매우 큰 영향을 주며,
많은 연구에서 접점 수명의 70% 이상을 좌우하는 핵심 요인으로 다룹니다.
아래 표는 DC 24V / 15A 조건에서
10⁴ ~ 10⁵ 사이클 수준 시험 결과를 바탕으로 정리한 “대표적인 경향” 예시입니다.
(구체 수치는 연구 조건에 따라 달라질 수 있습니다.)
대표 합금의 아크 에로전 및 스위칭 특성 비교
| 소재/합금 (Material/Alloy) | 아크 지속 시간 (ms) Arc duration | 질량 손실률 (% / 10⁴ cycles) Mass loss | 용접 저항성 (상대) Welding resistance | 주요 강화 메커니즘(Main strengthening mechanism) |
|---|---|---|---|---|
| Ag-SnO₂-CuO | 약 2.5 ~ 3.5 | 약 0.15 ~ 0.25 | 높음 | SnO₂ 입자 안정화, CuO에 의한 스패터링 억제 |
| Au-Pd 도금 | 약 1.8 ~ 2.5 | 약 0.05 ~ 0.10 | 매우 높음 | 산화층 없음, vdW 계면에 의한 안정적 접촉 |
| Cu-Cr-CNT | 약 3.0 ~ 4.0 | 약 0.20 ~ 0.35 | 중간 | CNT로 용융 풀 점성 증가, 고화 결함 감소 |
| W-Cu-rGO | 약 2.0 ~ 2.8 | 약 0.08 ~ 0.15 | 높음 | 텅스텐 카바이드 형성, rGO로 스팟 이동 억제 |
| Pd-Cu | 약 2.2 ~ 3.0 | 약 0.10 ~ 0.20 | 높음 | 안정적인 부식 필름 형성, 아크 에너지 분산 |
Au-Pd 도금, Pd-Cu처럼 귀금속 기반 시스템은
질량 손실과 용접 위험이 낮아 신호용, 고신뢰성 분야에 적합하고Ag-SnO₂-CuO, W-Cu-rGO와 같은 복합재는
파워 스위칭 환경에서 아크 에로전과 용착을 효과적으로 줄이는 방향으로 연구가 집중되고 있습니다.
8. 소재 선택 가이드라인
실무에서 전기접점 소재를 선택할 때는
“가장 좋은 소재”를 찾기보다는
“우리 제품 조건에 가장 맞는 타협점”을 찾는 접근이 필요합니다.
핵심적으로 고려해야 할 항목은 다음과 같습니다.
전류 크기 및 파형(Current level and waveform)
아크 발생 여부 및 빈도(Arc presence and duty)
환경 스트레스(온도, 습도, 가스, 부식성 분위기 등)
요구 수명 및 사이클 수(Required lifetime and switching cycles)
비용(BOM cost), 규제(RoHS 등 환경 규제)
이를 기준으로 한 대표적인 선택 예시는 다음과 같습니다.
저전류·미세 신호 (센서, 5G 통신, 고속 커넥터)
추천: Au 도금, Au-Pd, Pd-Cu
이유: 부식 저항이 매우 높고, 100만 회 이상 체결·분리에도 접촉저항 변화가 작음
일반 스위치·릴레이 (대략 10~50A, 인덕티브 로드)
추천: Ag-SnO₂, Ag-Ni, Ag-Cu
이유: 비용 대비 아크 내성과 내마모성이 균형 잡혀 있으며, EV 릴레이 등에서도 널리 검증됨
고전류·고아크 환경 (차단기, 용접기, 1kV 이상)
추천: W-Cu, Ag-W, Mo-W-Cu 계 복합재
이유: 고온·고아크에서 에로전과 용착을 최소화하고, 질량 손실률을 0.1% 미만으로 억제
비용 절감·대량 생산 (버스바, 자동차 파워 단자)
추천: Cu 기반(필요 시 Ag 또는 Sn 도금, CNT/그래핀 보강)
이유: 전도도와 가격 측면에서 최적, 산화·마모 문제는 도금과 코팅으로 보완
친환경·규제 대응이 중요한 설계
추천: Ag-SnO₂, Ag-ZnO, Cd-free MMC
이유: Ag-CdO 수준의 스위칭 성능을 친환경 방식으로 구현하기 위한 대표적인 선택지
0. Overview – Why electrical contact materials matter
An electrical contact is the point in an electrical circuit where current is actually “made and broken.”
This small interface largely determines the overall performance of:
System reliability
Lifetime
Energy efficiency
A good contact material must satisfy several properties at the same time:
Low electrical resistivity → minimizes heat generation and energy loss
High thermal stability → maintains structural integrity under repeated arcing
Excellent wear resistance → reduces mechanical wear and deformation
Arc erosion resistance → resists melting, evaporation, and oxidation under arc exposure
For example:
Ag-based MMCs (Ag-based metal matrix composites) are highly advantageous for low-voltage switching
Cu-based MMCs are reported to be more suitable for high-voltage sliding contacts and thermal management systems
In the following, we focus on materials widely used in industry:
silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), tungsten (W), and palladium (Pd), and discuss:
Basic properties
Arc erosion mechanisms
Recent research directions
Application fields and selection guidelines
1. Silver (Ag) and Ag-based alloys
1-1. Fine silver: the conductivity benchmark material
Silver (Ag) serves as a benchmark material for electrical contacts.
Electrical conductivity: close to or above 100% of the International Annealed Copper Standard (IACS)
Thermal conductivity: very high, roughly around 400 W/m·K
High-purity silver (99.9% or higher) offers the lowest contact resistance, minimizing heat generation
However, it has clear disadvantages:
Sulfidation by sulfur (S) and chloridation by chlorine (Cl) form a contamination film on the surface → increases contact resistance
The metal is relatively soft, making it vulnerable to mechanical wear and deformation
Under high arc loads, welding and spattering can occur
Therefore, fine silver is still widely used in:
Low- and medium-current switches and relays
General household and industrial low-voltage switching components
But in high-current and high-arc environments, it is usually used in the form of alloys or composites rather than pure silver.
1-2. Ag-Cu, Ag-SnO₂, Ag-CdO – alloys and oxide composites
Ag-Cu alloy (silver–copper)
Typical example: sterling silver (about 92.5% Ag)
Higher hardness (HV) than pure silver → improved resistance to deformation and wear
Reported to reduce arc welding rate by about 20–30% compared to pure silver
Widely used in general relays and universal switches
Ag-CdO (silver–cadmium oxide)
Has long served as a standard material for power switching applications
Advantages:
Very high arc resistance
Maintains relatively stable contact resistance under repeated switching
Disadvantages:
CdO (cadmium oxide) is toxic and regulated under RoHS and similar environmental regulations
As a result, new designs are increasingly moving toward alternative materials
Ag-SnO₂ (silver–tin oxide)
A representative eco-friendly alternative to Ag-CdO
In high-current environments (50 A and above), studies report that it:
Shortens arc duration by about 10–20%
Improves wear resistance by nearly a factor of two
With CuO addition:
Reduces coarse agglomeration of SnO₂ particles
Suppresses the increase in contact resistance
With rare-earth doping (for example La, Y):
Enhances thermal stability
Stabilizes the molten pool during arc erosion
In summary, Ag-SnO₂ is a key material that targets both environmental compliance and performance, especially in:
Low-voltage circuit breakers
Contactors
PV inverter relays
where high peak current and repeated arcing occur.
1-3. Ag-based MMCs and nano-reinforcement – CNT, graphene
Recently, MMCs with a silver matrix reinforced by ceramics or nano-carbon materials have been actively studied.
Ag-TiN and Ag-CNT reinforced composites:
Reduce friction coefficient
Maintain stable contact characteristics even beyond 100,000 switching cycles
Graphene nanoplatelet reinforcement:
Reduces excessive spattering of molten Ag under arc
Helps stabilize surface morphology and conduction paths
In short, Ag-based MMCs are a high-end material family that aim to achieve:
Intrinsically excellent electrical conductivity
Enhanced resistance to arc erosion and mechanical wear
at the same time.
2. Gold (Au) and gold alloys
Gold (Au) is a noble metal that effectively does not oxidize, and therefore offers outstanding contact stability under:
Corrosion
Humidity
Contamination
Even after more than 10⁶ operating cycles, changes in contact resistance are typically very small (less than about 1%).
Although its electrical conductivity is lower than that of silver (around 70–75% IACS), gold provides essentially top-tier reliability in low-current and low-voltage regimes.
2-1. Characteristics of gold and Au-Pd alloys
Because almost no surface oxide layer forms, gold maintains stable contact even for very small signals in the mV/mA range
Au-Pd alloys:
Reduce wear and welding compared to pure gold
Have been reported to limit signal loss to below about 5% in RF connectors
Typical application fields:
Precision electronics
Sensors and measuring instruments
High-frequency/high-speed communication equipment
(such as 5G infrastructure connectors and relays)
2-2. Gold plating and thickness design
Because the bulk material cost of gold is extremely high:
It is usually applied as a thin plating layer, typically around 0.5–1 μm
In connectors subject to repeated mating and unmating:
Once the gold layer wears through, the underlying nickel (Ni) or copper (Cu) alloy is exposed
From that point, corrosion and increases in contact resistance progress rapidly
Therefore, at the design stage it is crucial to:
Define the minimum gold plating thickness according to the required number of mating cycles
(for example 10,000 / 50,000 / 100,000 operations)
3. Copper (Cu) and copper alloys
Copper (Cu):
Has electrical conductivity second only to silver (almost 100% IACS)
Is relatively inexpensive
which makes it very suitable for mass production.
However, it also has clear drawbacks:
Highly susceptible to oxidation → once an oxide film forms, contact resistance increases significantly
Pure copper has relatively low hardness (HV 50–80), making it vulnerable to mechanical deformation
Under arc erosion, surface tarnishing and crack formation are likely to occur
To compensate, copper is often used in the following forms:
Cu-based MMCs such as Cu-Cr and Cu-W
Surface protection via Ag or Sn plating
For example:
Cu-20Cr alloys are reported to:
Shorten arc duration during high-voltage switching
Reduce mass loss due to erosion
CNT-reinforced Cu-Cr (Cu-Cr-CNT) composites are being studied to:
Increase the viscosity of the molten pool
Suppress metal splashing during arc erosion
Representative application fields:
Busbars
High-current contact parts (high-current terminals, EV power connectors)
Mass-produced relays and terminals where cost is a critical factor
4. Tungsten (W) and tungsten alloys – a shield for high-temperature, high-arc environments
Tungsten (W):
Has an extremely high melting point (about 3422°C)
Possesses high strength and hardness
which give it excellent resistance to arc erosion.
However:
Its electrical conductivity is lower than that of silver and copper
It is difficult to machine
So in practical electrical contact applications, tungsten is usually used as part of a composite material.
Representative combinations include:
Ag-W (silver–tungsten composites)
W-Cu (tungsten–copper composites)
Mo-W-Cu systems
These materials are used in environments such as:
High-voltage circuit breakers
Gas-insulated switchgear (GIS)
Tap-changers
Welding equipment
Recent studies show that:
As the tungsten content increases:
Arc resistance and erosion resistance improve
Electrical conductivity decreases, defining a clear trade-off
Processes such as spark plasma sintering (SPS) are employed to:
Improve microstructural uniformity
Control porosity
and thereby fine-tune performance.
5. Palladium (Pd) and Pd alloys – a practical alternative to Au
Palladium (Pd) is a noble metal that:
Is somewhat less expensive than gold
Offers excellent corrosion resistance and high-temperature stability
Key characteristics:
Electrical conductivity is about 80% of that of silver
Pd-Cu and Ag-Pd alloys have been reported to show:
Relatively low wear and small increases in contact resistance even after around one million switching cycles
During arc erosion, these alloys exhibit:
Reduced bridge erosion
Lower welding tendency
Typical application fields:
Automotive electronic components (especially in high-humidity, high-temperature environments)
Precision relays
Communication devices (5G relays, connectors, etc.)
Layered Au-Pd structures are attracting attention as a design that:
Combines the low-resistance properties of Au
With the corrosion and wear resistance of Pd
6. Comparison of key physical and electrical properties by material
Basic property comparison of representative contact materials
| Material | Electrical conductivity (IACS, %) | Hardness (HV) | Melting point (°C) | Thermal conductivity (W/m·K) | Relative cost level |
|---|---|---|---|---|---|
| Silver (Ag) | 100–105 | 75–200 | ~961 | ~400+ | Medium |
| Gold (Au) | 70–75 | 200–250 | ~1064 | ~300+ | Very high |
| Copper (Cu) | 100–102 | 50–80 | ~1085 | ~400 | Low |
| Tungsten (W) | 30–35 | 300–400 | ~3422 | ~170 | Medium |
| Palladium (Pd) | 80–90 | 150–200 | ~1555 | ~70 | High |
As seen in this table:
In terms of electrical and thermal conductivity alone, silver and copper are advantageous
In high-temperature, high-arc environments, tungsten-based systems are essential
For corrosion and environmental stability, gold and palladium-based materials are dominant
7. Arc erosion and switching performance comparison
Arc erosion has a major impact on contact lifetime.
Many studies treat it as a key factor that determines more than 70% of overall contact life.
The table below summarizes representative trends, based on tests under DC 24 V / 15 A conditions and 10⁴–10⁵ switching cycles.
(Exact values depend strongly on specific test conditions.)
Comparative arc erosion and switching characteristics of representative alloys
| Material / Alloy | Arc duration (ms) | Mass loss (% / 10⁴ cycles) | Relative welding resistance | Main strengthening mechanism |
|---|---|---|---|---|
| Ag-SnO₂-CuO | Approx. 2.5–3.5 | Approx. 0.15–0.25 | High | Stabilization of SnO₂ particles, spatter suppression by CuO |
| Au-Pd plating | Approx. 1.8–2.5 | Approx. 0.05–0.10 | Very high | No oxide layer, stable contact via vdW interface |
| Cu-Cr-CNT | Approx. 3.0–4.0 | Approx. 0.20–0.35 | Medium | Increased molten-pool viscosity by CNT, fewer solidification defects |
| W-Cu-rGO | Approx. 2.0–2.8 | Approx. 0.08–0.15 | High | Tungsten carbide formation, spot-motion suppression by rGO |
| Pd-Cu | Approx. 2.2–3.0 | Approx. 0.10–0.20 | High | Stable corrosion film formation, arc-energy dispersion |
In summary:
Noble-metal systems such as Au-Pd plating and Pd-Cu
are well suited for signal-level, high-reliability applications due to low mass loss and low welding riskComposite systems such as Ag-SnO₂-CuO and W-Cu-rGO
are being intensively studied for power switching environments, where they effectively reduce arc erosion and welding
8. Material selection guidelines
In practical design, selecting an electrical contact material is less about finding “the best material” in absolute terms and more about finding “the best compromise” for the specific product conditions.
Key factors to consider include:
Current level and waveform
Presence and frequency of arcing
Environmental stress (temperature, humidity, gas composition, corrosive atmosphere, etc.)
Required lifetime and switching cycles
Cost (BOM cost) and regulations (such as RoHS and other environmental rules)
Based on these, typical selection examples are:
Low-current, small-signal applications (sensors, 5G communication, high-speed connectors)
Recommended: Au plating, Au-Pd, Pd-Cu
Reason: Very high corrosion resistance, minimal change in contact resistance even after more than one million mating cycles
General switches and relays (roughly 10–50 A, inductive loads)
Recommended: Ag-SnO₂, Ag-Ni, Ag-Cu
Reason: Good balance of arc resistance and wear resistance versus cost; widely validated in EV relays and similar applications
High-current, high-arc environments (circuit breakers, welding machines, 1 kV and above)
Recommended: W-Cu, Ag-W, Mo-W-Cu composites
Reason: Minimize erosion and welding under high temperature and heavy arcing; can keep mass loss below about 0.1%
Cost-sensitive, high-volume production (busbars, automotive power terminals)
Recommended: Cu-based materials (with Ag or Sn plating, and optional CNT/graphene reinforcement)
Reason: Optimal in terms of conductivity and cost; oxidation and wear issues can be mitigated through plating and coatings
Designs where environmental compliance and regulations are critical
Recommended: Ag-SnO₂, Ag-ZnO, Cd-free MMCs
Reason: Provide switching performance comparable to Ag-CdO in an environmentally friendly, regulation-compliant way