▲ 재료연 연구진이 FC-4 계면활성제를 활용해 PTFE 나노입자의 응집을 억제하고, 은(Ag)-PTFE 복합도금층을 형성하는 과정을 구현했다.

국내 연구진이 기존 은(Ag) 도금의 약점으로 꼽혀온 낮은 경도와 마모 문제를 동시에 개선한 친환경 복합도금 기술을 개발해 전기차와 전자부품의 핵심 접점 내구성을 높이는 것은 물론 시안화물을 사용하지 않는 공정을 적용해 산업 현장의 안전성과 환경성이 향상될 것으로 기대 된다. 

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 에너지·환경재료연구본부 김세일 박사 연구팀이 시안화물을 사용하지 않는 산성 은 도금액에서 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 나노입자를 안정적으로 분산시키는 기술을 개발하고, 이를 통해 기존 은 도금보다 경도와 내마모성을 크게 향상시킨 Ag-PTFE 복합도금 기술을 확보했다고 1일 밝혔다.

전기차 커넥터와 자동차용 릴레이, 각종 전자기기 스위치에는 전류가 안정적으로 흐르도록 금속 접점에 은 도금을 적용한다. 은은 전기전도성이 뛰어나지만 금속 자체가 비교적 무르기 때문에 반복적인 접촉과 마찰이 발생하면 표면이 쉽게 긁히거나 마모되는 한계가 있었다. 도금층이 손상되면 접촉 저항이 증가해 전기적 신뢰성이 떨어질 수 있어 내구성 향상이 산업계의 주요 과제로 꼽혀왔다.

이를 보완하기 위해 마찰 특성이 우수한 PTFE를 은 도금층에 복합화하는 연구가 진행돼 왔지만, PTFE 입자가 도금액에서 쉽게 응집되는 데다 함량이 많아질수록 도금층이 약해지는 문제가 있었다. 반대로 함량이 적으면 마찰 저감 효과가 충분하지 않아 높은 경도와 저마찰 특성을 동시에 구현하기 어려웠다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 불소계 계면활성제(FC-4)를 적용한 산성 은 도금액에서 PTFE 나노입자의 분산 상태를 정밀하게 제어하는 기술을 개발했다. 도금액의 산성도와 계면활성제 농도, PTFE 첨가량을 최적화해 입자가 응집되지 않고 도금층 내부에 균일하게 분포하도록 구현했으며, 실험과 분자동역학 시뮬레이션을 통해 계면활성제가 입자를 안정적으로 분산시키는 원리도 규명했다.

균일하게 분산된 PTFE는 도금층 내부에서 고체 윤활제 역할을 수행해 마찰을 줄였으며, 은 결정은 더욱 미세하고 치밀하게 성장해 도금층의 기계적 강도도 향상됐다. 성능 평가 결과, 개발된 Ag-PTFE 복합도금층은 기존 순수 은 도금층 대비 경도가 약 23% 향상됐으며, 마찰계수는 0.2 이하를 기록했다. 또한 우수한 내마모 특성을 확보해 기존 기술의 한계였던 '고경도'와 '저마찰' 특성을 동시에 구현하는 데 성공했다.

이번 기술은 전기차 커넥터와 릴레이 접점, 스위치, 리드프레임, 전자부품 단자 등 반복적인 접촉과 마찰이 발생하는 다양한 전기접점 부품에 적용이 가능하다. 특히 전기차의 고전압·고전류 시스템 확대와 함께 접점의 신뢰성이 중요해지는 만큼 부품 수명 연장과 유지보수 비용 절감에 기여할 것으로 기대된다.

환경성과 작업 안전성도 확보했다. 기존 은 도금 공정에서 널리 사용되는 시안화물 기반 도금액 대신 산성 도금 공정을 적용해 작업자의 안전성을 높이고 폐수 처리 부담과 환경 규제 대응 부담을 줄일 수 있다는 점도 산업적 경쟁력으로 평가된다.

김세일 선임연구원은 “이번 기술은 시안화물 사용을 줄이면서도 반복 접촉 환경에서 높은 내구성을 갖는 은 도금층을 구현한 것이 가장 큰 성과”라며 “향후 전기차 커넥터와 전자부품 등 실제 제품에서 성능을 검증하고 대면적·양산 공정으로 확대해 산업 적용을 추진할 계획”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 산업통상부 기술혁신사업과 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국재료연구원 기본사업으로 수행됐다. 연구 결과는 재료공학 및 표면처리 분야 국제학술지 ‘Surface & Coatings Technology’에 지난 6월 8일 온라인 게재됐으며, 관련 특허도 출원 중이다.