1.서 론
화석연료의 고갈 및 환경오염의 가속화로 인해 신재생 에너지발전의 중요성이 한층 더 높아져 가고 있다. 그 중 태양광 발전의 경우 발전량이 매년 약 30 %씩 증가 하고 있으며 그에 따른 태양광발전기에 필요한 전선사 용량도 증가하고 있는 실정이다.1) 현재 태양광발전기에 사용되는 전선은 CV케이블(crosslinked polyetylene vinyl sheath cable)로 수명이 6 ~ 8년 정도로 알려져 있다. 태 양광발전기의 평균가동수명이 20 ~ 30년으로 알려져 있어 케이블의 열화현상이 먼저 발생하여 케이블의 교체로 인 한 번거로움 및 교체비용이 막대하다. 이러한 문제를 해 결하기 위해 고안된 태양광발전전용 솔라케이블(solar cable)의 경우 태양광발전기의 수명과 비슷하나 구리원자 재의 높은 가격이 새로운 문제점으로 지적되고 있다. 따 라서 구리의 대체 재료로 알루미늄이 부상되고 있으며 알루미늄은 구리의 약 60 %의 전기전도율을 가지고 있어 동일한 성능을 구현하기 위해선 30 %정도 두껍게 제작하 여야 하나 낮은 비중을 고려하면 경량화 효과를 기대할 수 있다.2-4) 그러므로 현재 상용되고 있는 저압 Al-Fe계 알루미늄합금 전선은 인장강도 184 MPa, 연신율 22 %의 기계적 특성을 나타내지만 52 %IACS(the international annealed copper standard)의 비교적 낮은 전기전도도 를 가지고 있다. 여기서 IACS란 국제표준연동의 약칭 으로 어닐링한 순동의 비저항 1.7241 × 10−8 Ωm를 100 %IACS로 기준으로 하여 그에 따른 비로 나타낸 값이 다. 그러므로 저가이며 높은 전기전도도를 가진 새로운 알루미늄 전선의 개발이 절실하다. 본 연구팀은 지난 연 구에서 전선용 Al-Fe-Mg-Cu-B계 알루미늄 합금을 개 발5)하여 전기전도성과 기계적 특성을 평가하여 발표한 바 있다. 이 개발 재료는 기존의 전선용 Al-Fe계합금에서 Fe 함량을 낮추고 Cu와 B를 첨가하여 설계한 알루미늄 합 금으로 350 °C 어닐링재의 경우 인장강도가 144 MPa, 연 신율이 23 %로 기존 Al-Fe계 합금 대비 강도가 크게 떨 어지지만 전기전도도가 61 %IACS로 높은 값을 나타내 어 전선용 재료로서 가능성을 보여주었다.5) 이런 결과는 알루미늄합금의 순도를 적절히 낮추면 강도를 다소 희 생하는 대신에 전기전도도를 증가시킬 수 있다는 것을 재차 입증시키는 좋은 사례일 것이다.
실제로 상용 전선용 알루미늄합금 중에 전기적 특성을 고려하여 고순도로 설계되어 상용화되어 있는 AA1070 합금이 있다. 이 합금은 어닐링재(O-재)의 경우 인장강 도가 70 MPa, 연신율이 43 %로, 강도 면에서는 비교 열 위에 있으나, 전기전도도가 62 %IACS로 매우 높은 값 을 나타내는 것으로 알려져 있다.6) 그러나 이 합금에 대 하여 ECAE(equal channel angular extrusion)에 의한 강소성가공 후의 미세조직 변화 및 기계적 특성에 대하 여 조사되어진 연구는 있으나,7) 인발에 의한 강소성가공 후의 미세조직 특성 및 기계적 특성, 그리고 어닐링에 따른 미세조직 및 기계적 특성의 변화 등은 구체적으로 알려진 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 AA1070합금 을 대상으로 이전 연구에서 개발한 Al-Fe-Mg-Cu-B계 알 루미늄 합금5)과 동일한 인발 조건 및 동일한 어닐링 조 건으로 실험을 진행하여 미세조직 및 기계적 특성, 그 리고 전기적 특성 등을 상호 비교 분석하였다.
2. 실험방법
2.1 인발가공에 의한 강소성 변형
본 연구에서 사용된 AA1070계 알루미늄 합금의 상세 한 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 우선 직경 9.0 mm 1070계 상용알루미늄 봉재를 450 °C에서 24시간 균 질화처리 및 내부응력을 제거한 후 출발재료로 사용하 였다. 인발은 드럼형 인발기를 이용하여 상온에서 직경 2 mm까지 다패스(multi-pass)로 진행하였으며 인발속도 는 753 mm/sec, 윤활유는 ㈜코리아케미칼 사의 ALUBE 5050를 사용하였다. 이때 총 단면감소율은 95.06 %이다. 인발가공에 의한 변형량을 상당변형량으로 계산하면 식 (1)과 같이 표현된다.
체적일정의 조건 ε1 + ε2 + ε3 = 0과 인발공정에서 성립 하는 ε1 = ε2를 조합하면 ε3 = −2ε1가 성립한다. 이 관계 식을 식 (1)에 대입하면 식 (2)가 나온다.
여기서 ε1= ln(L/L0) = ln(A0/A)이므로 A0와 A값을 각각 대입하여 구하면 이 된다. 이 값은 압연공정의 경우 압 하율 99.6 %에 해당하며, 강소성 가공의 일종인 ARB (accumulative roll bonding)법8,9)과 비교해 보면 ARB법 8 사이클 진행하였을 때 재료에 가해지는 거대 변형량이 다. 이처럼 강소성가공된 알루미늄 선재를 전기로 내에서 200 °C ~ 450 °C의 각 온도에서 2시간 가열 후 공냉하였다.
2.2 특성평가
기계적 특성은 상온에서의 경도시험 및 인장시험으로 평가하였다. 경도시험은 마이크로 비커스 경도계를 이용 하여 하중 0.05 kgf, 압입시간 10초의 조건에서 인발방 향에 평행하게 자른 시편의 단면으로부터 지름방향으로 0.18 mm 간격으로 이동하며 경도를 측정하였다. 인장시 험은 인발된 알루미늄 선재를 250 mm로 잘라 표점거 리 150 mm로 설정하여 만능시험기를 사용하여 상온에서 10−3 s−1의 일정한 변형률 속도로 파단이 일어날 때까지 진행하였다. 미세조직은 인발된 선재의 중앙부에서 채취 하여 인발방향과 평행하게 자른 후, HClO4: CH3CH2OH = 1 : 9 용액 속에서 용액온도 -5 °C, 전압 20 V의 조 건에서 전해 에칭 후 FE-SEM/EBSD 측정을 실시하였 으며, EBSD 해석에는 Tex SEM Laboratory(TSL)사의 EBSD 해석 프로그램 TSL OIM Date Collection ver. 3.5를 이용하였다.
전기적 특성은 선재의 100 mm 거리의 두 점에서 전 기저항을 측정하여 식 (3)을 이용하여 비저항을 계산한 후 식 (4)를 이용하여 전기전도도의 단위인 %IACS로 환 산하였다.
여기서 ρ는 비저항, R은 전기저항, A는 시편의 단면 적, L은 시편의 측정 길이를 나타낸다.
3.결 과
3.1 미세조직(Microstructure)
Fig. 1은 인발가공된 알루미늄선재의 어닐링 온도에 따 른 미세조직의 변화를 SEM/EBSD 측정결과로 나타낸 것 이다. 어닐링 전 알루미늄 선재에서는 결정립이 인발 방 향으로 연신된 전형적인 가공조직(deformation structure) 을 보이고 있으나 250 °C 어닐링재에서는 회복(recovery) 및 부분재결정(partial recrystallization)이 발생하여 더욱 선명해지고 두꺼워진 연신 결정립과 함께 재결정에 의 해 발생한 등축정의 신생(newly formed) 재결정립이 특 히 상부 위주로 많이 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 300 °C 어닐링재에서는 가공조직이 소멸하고 전체가 평균 입경이 25 μm인 등축 재결정립으로 구성된 완전재결정 (complete recrystallization)조직으로 변하였으며, 350 °C 어닐링재에서는 결정립성장(grain growth)으로 인해 평균 입경이 42 μm의 조대결정립(coarse grains)으로 구성된 재결정조직을 나타내었다. 어닐링 온도에 따른 이와 같 은 회복, 부분재결정, 완전재결정의 변화 양상은 이전 연 구의 Al-Fe-Mg-Cu-B계 알루미늄선재와 대체적으로 유사 하나, 재결정 개시 온도가 이전 알루미늄선재(300 °C) 보 다 더 낮고, 재결정립의 평균 결정립 크기가 이전 선재 (300 °C에서 16 μm)보다 더 크다는 차이점이 있다.5) 이 것은 이전의 알루미늄선재와 달리 결정립성장 억제 효 과가 있는 Fe 및 Mn 원소가 거의 첨가되어 있지 않은 것과 석출물 생성에 의한 결정립 성장 억제효과를 발휘 하는 Cu와 같은 첨가원소 또한 극히 제한적으로 첨가 되었기 때문으로 사료된다.
한편 집합조직의 경우, 어닐링 전 및 250 °C 어닐링재 에서는 {110}<111>과 {112}<111>성분과 같이 인발가공 된 알루미늄합금에서 자주 관찰되는 대표적인 섬유집합 조직(fiber texture)10)을 보여주고 있으나, 흔히 잘 관찰 되지 않는 {110}<001> 및 {110}<112> 성분들도 부분 적으로 발달되어 있었다. 이와 같은 집합조직은 350 °C 이상의 어닐링재에서도 여전히 발달되어 있으나, 그 중 에서도 특히 {110}<001>성분의 발달이 더 강화되는 경 향을 나타내었다. 또한, GB(grain boundary) map을 통 해서는 어닐링 전 및 250 °C 어닐링재에서는 입계의 어 긋남각(misorientation angle)이 15° 이하인 저경각입계 (low angle grain boundary)의 분율이 더 높으나, 어닐링 온도가 300 °C 이상에서는 15° 이상의 고경각입계(high angle grain boundary)의 분율이 70 % 이상으로 크게 증 가하는 것을 알 수 있다. Fig. 2는 어닐링온도에 따른 입계의 어긋남각의 분율의 분포를 자세히 보여준다. 그 림에서와 같이 어닐링온도가 250 °C 이하와 300 °C 이 상에서 크게 다른 양상의 그래프를 보여준다. 즉, 어닐 링전과 250 °C 어닐링재에서는 어긋남각이 15° 이하의 저 경각 결정립계가 큰 분율을 나타내지만 15° 이상의 고 경각 결정립계의 분율은 일률적으로 낮은 분포를 나타 낸다. 그러나 300 °C와 350 °C 어닐링재에서는 모든 결 정립계에서 고르게 낮은 어긋남각 분포를 나타낸다. 이 와 같은 경향을 보이는 이유는 300 °C에서 완전재결정 이 발생하면서 저경각을 가지는 전위셀(dislocation cell) 및 아결정립(sub-grains)들이 많이 소멸되고 고경각입계 를 가지는 새로운 결정립들이 많이 생성되었기 때문이 라 사료된다. 이와 같은 어닐링온도 증가에 따른 결정 립계 분율의 분포 변화 또한 이전 알루미늄선재와 매 우 유사한 경향을 보이지만,5) 회복과 재결정이 활발히 발생하기 시작하는 250 °C 이상의 모든 어닐링온도에서 본 연구의 AA1070합금에서 고경각입계의 분율이 더 높 은 값을 나타내었다. 이것 또한 고 순도인 본 알루미 늄합금이 회복 및 재결정이 더 활발하게 진행된 결과 라 사료된다.
3.2 기계적 성질(Mechanical properties)
Fig. 3에 인발가공된 알루미늄 선재의 어닐링 온도에 따른 직경방향으로의 경도변화 분포(a)와 어닐링 온도에 따른 평균 경도값의 변화(b)를 나타내었다. 그림에서와 같 이 어닐링 전에는 중앙 부위의 경도가 낮고 표면 부위 가 높은 불균일한 경도분포를 나타내지만 어닐링온도가 증가함에 따라 불균일성 정도가 낮아져 350 °C 이상에 서는 매우 균일한 경도분포를 나타낸다. 또한 어닐링전 의 평균경도는 38 Hv로 비교적 높은 값을 나타내었으 나, 어닐링온도가 증가함에 따라 평균 경도값이 크게 감 소하여 300 °C에서는 17 Hv로 어닐링 전 알루미늄 선재 대비 57 % 감소하였다. 이는 인발가공에 의해 가공경화 된 알루미늄 선재가 어닐링온도가 증가함에 따라 연화 되어 경도가 감소하는 일반적인 연화과정을 겪은 것이 며, 300 °C 이상의 온도에서는 평균 경도값의 큰 변화 는 나타나지 않았다.
Fig. 3
Vicker's hardness distribution in longitudinal section (a) and the average hardness (b) of AA1070 alloy annealed after drawing.
Fig. 4는 인발가공된 알루미늄 선재의 어닐링 온도에 따른 기계적 특성 변화를 나타낸 것이다. Fig. 4(a)와 같 이 어닐링 온도가 증가함에 따라 인장강도는 떨어지고 연신율이 증가하는 전형적인 응력-변형률(stress-strain) 곡 선을 나타내었다. 특히, 200 °C와 300 °C 사이에서 인장 강도 및 연신율 변화가 급격하게 일어난 것을 확인할 수 있는데, 이것은 인발가공에 의한 가공조직이 어닐링에 의 해서 완전재결정조직으로 완전히 변화되었기 때문이다. 인 발가공된 알루미늄 선재의 인장강도는 123 MPa의 비교 적 높은 값을 나타내고 있으나, 250 °C 어닐링재에서 97 MPa, 300 °C 어닐링재에서 66 MPa로 크게 감소하였다. 항복강도 또한 인장강도와 유사하게 어닐링 전에 약 110 MPa이던 것이 250 °C에서 75 MPa, 300 °C에서 30 MPa 로 크게 감소하였다. 한편, 연신율은 어닐링 전에 약 1 % 이던 것이 250 °C에서 10 %, 300 °C에서 33 %로 급격히 증가하는 경향을 나타내었다. 즉 어닐링 온도가 증가함 에 따라 인장강도는 감소하고 연신율이 증가하는 전형 적인 연화특성을 나타내었다. 이와 같은 어닐링온도 증 가에 따른 기계적 특성 변화 또한 이전 연구와 매우 유사하나, 인장강도 면에서는 모든 어닐링 조건에서 이 전 알루미늄합금5) 보다 크게 낮은 값을 나타내었다. 또 한, 어닐링 전 인발재의 항복강도(110 MPa)를 가공량 (상당변형량)이 유사한 ECAE 6-pass에 의해 강소성가공 된 AA1070 재료의 항복강도(160 MPa)7)와 비교해 보면 크게 낮은 값을 나타내었다. 이것은 본 연구에서는 인 발가공에 의한 단순변형을 통한 강소성가공을 부여한 반 면, ECAE 공정의 경우 Bc루트(90도 회전)에 의한 변형 모드의 변화를 통해 결정립미세화를 효과적으로 달성했 기 때문이라 사료된다.
3.3 전기적 성질(Electrical properties)
Fig. 5는 인발가공된 알루미늄선재의 어닐링 온도에 따 른 전기전도도의 변화를 나타낸 것이다. 어닐링 전 알 루미늄선재의 전기전도도는 61 %IACS였으며 어닐링온도 가 증가함에 따라 점진적으로 증가하는 경향을 나타내 어 450 °C 어닐링재에서는 62.6 %IACS의 최대값을 나타 내었다.
Fig. 6에 본 연구에서 얻은 AA1070가공재와 어닐링재 의 강도-연성지수와 전기전도도의관계도를 나타내었다. 비 교를 위하여 이전 연구에서 얻은 Al-Fe-Mg-Cu-B합금의 결과5)도 함께 나타내었다. 여기서 강도-연성지수란 강도 와 연신율을 곱한 값으로 기계적 특성의 평가지표로 임 의로 정한 값이다. 어닐링 전 AA1070 알루미늄 선재와 200 °C 어닐링재에서는 낮은 연신율로 인하여 0.1 GPa% 와 0.15 GPa%의 강도-연성지수를 나타내고 있으나, 250 °C 어닐링재는 인장강도는 감소하지만 증가된 연신율로 인 하여 강도-연성지수가 1.0 GPa%로 증가한다. 300 °C 이 상의 어닐링재는 완전재결정으로 인한 강도의 감소에도 불구하고 연신율의 큰 증가로 인하여 강도-연성지수는 2.2 GPa%로 크게 증가한다. 결과적으로 이전 연구와 본 연구의 결과를 동일 어닐링 조건에서 비교해 볼 때, 전 기적 특성은 합금 첨가원소가 적은 본 연구의 AA1070 이 다소 우수하나 기계적 특성(강도-연성지수)은 이전의 Al-Fe-Mg-Cu-B합금이 크게 우수하다. 따라서 강도-연성 지수 및 전기전도도를 종합적으로 고려해 보면, 강도-연 성지수 3.32 GPa%, 전기전도도 60.9 %IACS를 나타내는 이전 연구의 350 °C 어닐링재가 가장 우수한 특성을 보 인다고 결론내릴 수 있다.
4.결 론
상용 알루미늄인 AA1070계 합금에 대하여 인발가공 및 어닐링을 진행하여 이전 개발 합금(Al-Fe-Mg-Cu-B합 금)과 기계적 특성 및 미세조직을 비교분석한 결과 다 음과 같은 결론을 얻었다.
1. 어닐링 전 알루미늄 선재는 인발방향으로 연신된 가 공조직을 나타내고 있으나, 어닐링온도가 증가함에 따라 회복 및 재결정이 발생하여 250 °C 어닐링재에서는 부 분재결정조직, 300 °C 이상의 어닐링재에서는 등축의 결 정립으로 구성된 완전재결정조직을 나타내었다. 어닐링 온 도 증가에 따른 회복 및 재결정 과정은 이전 연구와 유 사한 경향을 보이나 재결정 온도가 더 낮고 결정립 크 기가 더 조대한 특징을 나타내었다.
2. 인발가공 후 및 모든 어닐링 조건에서 {110}<111> 과 {112}<111>성분의 섬유집합조직(fiber texture)이 주로 발달하였으며, 흔히 잘 관찰되지 않는 {110}<001> 및 {110}<112> 성분들도 부분적으로 발달되어 있었다. 이런 집합조직은 어닐링 후에도 유지되었으나 특히 {110}<001> 성분의 발달이 더 강화되는 경향을 나타내었다.
3. 250 °C 이하의 어닐링재에서는 입계의 어긋남각이 15° 이하인 저경각입계의 분율이 더 높으나, 300 °C 이 상의 어닐링재에서는 15o 이상의 고경각입계의 분율이 70 % 이상으로 크게 증가하였다. 이전 연구와 비교해 볼 때, 회복과 재결정이 활발히 발생하기 시작하는 250 °C 이상의 모든 어닐링온도에서 본 연구의 알루미늄합금에 서 고경각입계의 분율이 더 높은 값을 나타내었는데 이 것은 본 합금의 순도가 더 높은데 기인한다.
4. 어닐링 온도가 증가함에 따라서 인장강도 및 경도 는 감소하고 연성은 증가하는 전형적인 연화곡선을 나 타내었으며, 특히 어닐링 온도 200 °C와 300 °C 사이에 서 가공조직이 재결정조직으로 변하면서 기계적 특성 변 화가 크게 나타났다. 모든 어닐링 조건에서 인장강도는 이전 개발 합금에 비해 크게 낮은 값을 나타내었다.
5. 전기전도도는 어닐링 전 알루미늄선재에서 61.0%IACS 를 나타내었으나 어닐링 온도가 증가함에 따라 증가하 여 450 °C 어닐링재에서 62.6 %IACS의 최대값을 나타내 었다.
6. 결과적으로 이전 연구와 본 연구의 결과를 동일 어 닐링 조건에서 비교해 볼 때, 전기적 특성은 본 연구의 AA1070이 다소 우수하나 기계적 특성(강도-연성지수)은 이전의 개발 합금이 크게 우수하였다.
