Low-temperature sintering and thermal-aging reliability of nano-silver joints on cyanate ester composite substrates

현대 항공기는 더 이상 단순히 엔진을 실은 금속과 직물의 튜브가 아닙니다. 이들은 날아다니는 컴퓨터가 되어가고 있습니다. 엔지니어들은 '구조-기능 통합(structural-functional integration)'이라 불리는 개념을 통해 강력한 전자 칩을 항공기의 구조적 외피에 직접 내장하는 방식을 점점 더 많이 채택하고 있습니다. 이 접근 방식은 전자 장치를 담는 무겁고 부피가 큰 상자들을 제거하여 무게와 공간을 절약해 줍니다. 하지만 이 민감한 칩을 기체에 사용되는 경량의 내열성 복합재에 부착하는 것은 어려운 과제입니다. 칩을 날개나 동체에 붙이는 데 사용되는 접착제나 솔더(납땜)는 극심한 열을 견뎌내고, 막대한 전류를 전달하며, 항공기를 결합하는 힘을 유지하면서도, 부착된 섬세한 복합재를 손상시키지 않아야 합니다.

수십 년 동안 이 칩을 부착하는 표준적인 방법은 금속 표면이나 특수 세라믹 타일을 사용하는 것이었으나, 차세대 항공기에는 금속 코팅을 쉽게 할 수 없는 첨단 폴리머 복합재가 사용됩니다. 연구자들은 현대 전자 장비의 고온을 견딜 수 있는 재료를 사용하여 비금속 표면에 칩을 직접 결합하는 방법을 오랫동안 모색해 왔습니다. 미세 입자 형태의 은(Silver)은 전기를 잘 전도하고 열 전도율이 매우 높으며 전통적인 솔더링보다 낮은 온도에서 융합될 수 있어 유망한 해결책을 제공합니다. 그러나 이 은이 금속 층의 도움 없이도 항공우주 분야에서 안정성과 경량성 덕분에 각광받는 재료인 시아네이트 에스테르(cyanate ester) 복로직의 거칠고 비금속적인 표면에 직접 강하고 지속적인 결합을 형성할 수 있는지 여부는 여전히 불분명했습니다.

중국의 베이항 대학교와 관련 연구소의 연구팀은 바로 이 특정 문제를 해결하기 위해 나섰습니다. 그들은 실제 전력 칩을 모사하기 위해 은으로 얇게 코팅된 구리 블록을 가져와, 석영 섬유로 강화된 시아네이트 에스테르 복합재 사각형 위에 직접 부착했습니다. 화학적 접착제를 사용하는 대신, 그들은 미세한 은 입자로 만든 페이스트를 도포하고 압력을 가하며 가열했습니다. 목표는 은 입자가 아주 약간만 녹아 단단한 다리를 형성하는 동시에, 복합재 표면의 미세한 요철 사이에 스스로를 고정하여 미시적인 규모에서 벨크로(찍찍이)와 유사한 기계적 맞물림을 만들어낼 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

이 과정에는 정밀한 열과 압력 제어가 필요했습니다. 연구진은 은 페이스트를 200도씨로 가열했는데, 이는 은 입자를 융합시키기에 충분히 높으면서도 복합재를 태워버리지 않을 만큼 낮은 온도였습니다. 또한 5에서 20 메가파스칼에 이르는 다양한 압력을 가해 입자들을 서로 밀착시켰습니다. 열이 상승함에 따라 페이스트 내부의 유기 용매가 증발했고, 이를 통해 은 입자들이 접촉 지점에서 서로 만나 융합될 수 있었습니다. 압력 하에서 이 입자들은 재배열되어 틈을 메우고 조밀하고 연속적인 금속 층을 형성했습니다. 연구팀은 은이 단순히 복합재 위에 놓여 있는 것이 아니라, 복합재의 미세한 거칠기 속으로 흘러 들어가 두 재료를 결합하는 물리적 인터록(interlock)을 형성한다는 것을 발견했습니다.

이 직접 결합의 결과는 놀라울 정도로 견고했습니다. 연구진이 칩을 복합재에서 미끄러뜨리는 데 필요한 힘을 테스트했을 때, 가장 강력한 접합부는 최대 11.5 메가파스칼의 전단 강도를 나타냈습니다. 이 최고 성능은 은을 15 메가파스칼의 압력으로 15분 동안 소결(sintering)했을 때 달성되었습니다. 흥lik하게도, 20 메가파스칼과 같이 너무 높은 압력을 가하면 오히려 복합재 기판 자체를 손상시켜 결합력이 약해졌습니다. 형성된 은 층은 또한 매우 효율적이었는데, 압력이 증가함에 따라 전기 저항이 크게 감소했는데, 이는 입자들이 빽빽하게 밀집되어 전기를 위한 우수한 경로를 만들었음을 의미합니다.

이 기술이 실제 항공기의 가혹한 환경에서 생존할 수 있는지 확인하기 위해, 연구팀은 결합된 접합부를 고온 노화 테스트에 노출시켰습니다. 그들은 수년간의 운행을 시뮬레이션하기 위해 샘플을 220도씨의 오븐에 최대 1,000시간 동안 두었습니다. 600시간이 지난 후에도 접합부는 놀라울 정도로 강함을 유지하며 원래 강도의 약 81%를 보존했습니다. 은 층 자체는 잘 버텼지만, 연구진은 그 아래의 복합재에서 섬유를 결합하는 수지에 미세한 균열이 발생하는 등 스트레스 징후가 나타나기 시작하는 것을 관찰했습니다. 1,000시간에 도달했을 때, 복합재는 섬유가 수지 매트릭스로부터 분리되는 등의 상당한 퇴화를 겪었으며, 이는 결국 접합력을 저하시켰습니다.

본 연구는 나노 은 소결법을 통해 비금속 복합재 표면에 전력 칩을 직접 결합하여 강하고 전기 전도성이 높으며 열적으로 안정적인 연결을 만드는 것이 전적으로 가능하다는 결론을 내립니다. 이 결합의 주요 메커니즘은 은과 플라스틱 사이의 화학적 반응이 아니라, 은이 복합재의 표면 질감을 채우는 기계적 맞물림입니다. 은 접합부 자체는 내구성이 뛰어나지만, 전체 시스템의 장기적인 신뢰성은 복합재 자체의 열적 안정성에 의해 제한됩니다. 복합재가 극한의 열 아래에서 퇴화하기 시작하면, 은이 아무리 잘 결합되어 있더라도 결합력은 약해집니다. 이러한 발견은 항공기 기체에 사용되는 재료가 전자 장비에서 발생하는 열을 견딜 수 있다는 전제하에, 차세대 경량 고성능 항공기 구조에 전자 장치를 통합할 수 있는 명확한 경로를 제시합니다.