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4-2 젖음 현상
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젖음(wetting)이란 고체의 표면에 액체가 부착되었을 때, 고체와 액체 원자간의 상호작용에 의해 액체가 고체 위에 퍼지는 현상을 말한다. 즉, 용융된 용가재가 금속 표면에 퍼지는 것이 젖음 현상이며, 젖음 현상이 일어나지 않으면 브레이징은 불가능하다. 깨끗한 유리 표면에 물방울이 잘 퍼지듯, 양호한 젖음이 일어나기 위해서는 우선 모재 금속이 청결하여야 한다. 즉, 모재 표면이 부식되거나 오염되지 않아야 하고, 적절한 플럭스와 용가재, 가열온도가 필요하다. 이외에도 젖음성은 모재 금속의 종류, 표면상태, 분위기 등 여러 가지 요인에 의해 바뀌며, 브레이징의 품질을 결정하는 가장 중요한 요소 중의 하나이다.
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그림 1-21)은 젖음의 여러 가지 형태를 보인 것이데, 젖음각 (θ)이 작을수록 브레이징성이 좋으며, θ가 90이상인 조건에서는 브레이징이 어렵다. 일반적으로 잘 젖어 있다고 하는 기준은 θ가 20이하인 것을 말하고, 실제의 젖 음은 θ가 20-60정도이며, θ가 60-90정도이면 잘 젖지 않은 것이며, θ가 90이상이면 젖지 않은 것으로 판단 한다.
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젖음은 브레이징에 있어서 기초적이고 매우 중요하므로, 이에 대해 이론적으로도 좀 더 이해해 둘 필요가 있다. 이제 이에 대해 설명해 보기로 한다.
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용융된 용가재가 모재 표면에 퍼지는 것을 상상하여, 고체의 표면에 액체 방울 (액적)을 올려 놓을 때 액체가 고체 의 표면을 따라 퍼져나가는 경우를 생각해 보자. 이때, 액체의 첨단에 작용하는 표면장력 (혹은 계면장력)의 크기에 따라, 그 전체계 (액체가 고체표면 위를 퍼져 나가는 것)의 자유에너지가 최소로 될 때까지 액체 방울은 퍼지며 변화하다가 마침내 평형상태에 도달하게 된다. 평형상태일 때 그림 1-22)에 보인 액체와 고체의 표면장력과 그 계면장력 간에는 영의 식 (Young's equation)이라고 알려진 다음의 식이 성립된다.
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젖음 방정식으로 알려진 식 (1-1)에서 브레이징에 바람직한 젖음성이 좋은 θ＜90°는 γSV＞γSL의 조건에 대응한다.
즉, γSV 값이 커져야 하는데, 이를 위해서는 고체의 표면이 불순물이 없이 청정해야만 한다. 고체의 표면에 불순물이 존재하면 고체의 표면 장력이 떨어지기 때문이다. 예를 들어, 목수가 못을 나무에 박을 때 못 끝에 침을 바르는 것은 나무의 표면을 오염시켜 나무의 표면장력을 떨어뜨리기 위함이다. 어쨌든 θ＜90°라면 액체 방울은 기판을 따라 젖게 되며, 젖음 면적은 접촉각이 작을수록 커진다. 90°＜θ＜180°이면 젖음이 일어나지 않으며, 액체 방울은 접촉한 면 위 에 퍼지지 않는다.
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| 식 (1-1)을 cosθ의 항으로 다시 풀어 쓰면, |
 이 된다. |
전술한 바와 같이 젖음성은 θ가 작아지면 (cosθ 값이 커지면) 향상되는데, θ는 다음의 조건일 때 작아지게 된다.
① γSV가 증가하는 경우
② γSL이 감소하는 경우
③ γLV가 감소하는 경우
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γSV 항은 주어진 고체 표면을 깨끗이 함으로써 최대화 할 수 있다. 산화물과 오염물은 γSV를 급격히 감소시키며, 이에 따라 접촉각 θ를 증가시킨다. 따라서, 브레이징에서 접합 표면이 깨끗해야 하고 금속성이어야 한다는 것은 중요하다. 깨끗한 표면 상태를 이루고 유지하기 위해서 플럭스나 보호가스가 필요하다. 플럭스의 주된 기능은 산화물이 나 오염물을 제거하거나 흩어지게 해서 γSV를 높이는 것이다.
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γSL 항은 젖음의 고전적 모델에 따르면 특정한 고체-액체 결합에 대해 일정한 온도에서는 상수이다. γSL 값은 모재나 브레이징 용가재 재료들을 바꿈으로써 줄일 수가 있다. 그러나, 통상은 부품 재료들이 정해져 있기 때문에 실제로 실행하기가 어렵다. 다행히 γSL은 온도에 매우 의존적이고, 대개 온도가 올라감에 따라 급격 하게 떨어지기 때문에 젖음성을 조절하기에 용이하다.
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마지막으로, γLV를 최소화함으로써 θ 값을 감소시켜 젖음성을 향상시킬 수 있다. γLV항은 기체의 압력과 조성을 바꿈으로써 변화시킬 수 있다. 접합에 사용되는 기체의 조성 (예를 들어, 질소가스, 수소가스 등 분위기 가스)이 접촉각에 영향을 미친다고 알려져 있지만, 실제로는 기체의 압력을 줄임으로써 젖음성을 향상시키는 것이 쉽다. 압력을 줄이는 방법은 보통 진공상태를 이용하는 것인데, 이것이 진공상태에서 브레이징을 하는 이유 중의 하나 이다. 일반적으로 표면에너지의 크기는 γSV＞γSL＞γLV이다.
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지금까지는 하나의 표면에 솔더가 이상적으로 퍼지는 것을 생각해 왔다. 그러나, 브레이징 접합에서는 항상 마주 보는 두 면이 존재하는데, 이제 이에 대해 살펴 보기로 한다.
만약 접촉각 θ가 90°보다 작다면 표면 에너지들은 용가재가 접합부 내를 채우도록 작용하는 양(+)의 값의 모세관력 을 갖게 될 것이다. 마주보는 두 면이 D (mm) 만큼 떨어져 있고 액체에 부분적으로 젖은 수직의 평행한 면이 있다면, 이 이음부의 단위 길이 당 모세관력은 2γLVcosθ이다. 이러한 힘 하에서 액체는 모세관력이 정수압(hydrostatic force)과 평형을 이루는 높이 h까지 올라갈 것이며, 이것은 그림 1-23)에 후술하는 바와 같이 다음과 같이 표현된다.
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