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베릴륨동의 전기 커넥터 적용에 대한 간략 고찰

2025-05-29 16:58

초록: 본 문서는 베릴륨동 합금의 분류, 전기 커넥터에 일반적으로 사용되는 베릴륨동의 등급, 화학 성분, 성능 및 국내외 개발 현황을 소개하고, 전기 커넥터 산업에서 베릴륨동의 적용 전망과 발전 방향에 대해 논의한다.

키워드: 베릴륨동, 전기 커넥터

1. 서론

탄성 재료는 종류가 다양하고, 사용 범위가 넓으며, 정밀 가공이 가능하고 고유한 성능을 지닌다. 구리 기반 탄성 합금은 우수한 전기 전도성과 열 전도성, 기계적 특성으로 인해 다양한 전도성 탄성 부품에 널리 사용된다. 탄성 성능에 따라 고탄성, 중탄성, 저탄성, 복합 탄성 구리 합금으로 분류된다.

전기 커넥터에 사용되는 탄성 재료는 삽입력과 유지력을 안정적으로 확보하는 핵심 재료로, 현재는 주로 고탄성 구리 합금이 사용된다. 이들은 열처리를 통해 강화할 수 있으며, 대표적인 합금이 베릴륨동이다. 베릴륨동은 석출 강화형 고전도·고탄성 합금으로, 이 재료로 만든 탄성 부품은 탄성 히스테리시스와 탄성 손실이 작고 종합적인 성능이 뛰어나며, 주요 탄성 재료로 자리 잡고 있다.

본 문서에서는 일반적으로 사용되는 베릴륨동 합금의 분류, 등급, 화학 성분, 성능 등 기본적인 내용을 소개하고, 국내외 개발 현황을 비교하며, 전기 커넥터 분야에서의 적용 가능성과 한계를 고찰한다.

2. 베릴륨동 합금의 연구 개요

2.1 베릴륨동의 분류

베릴륨동 합금은 고용화 및 시효 열처리 후 높은 강도, 경도, 탄성 한계를 가지며, 탄성 히스테리시스가 작고 안정성이 우수하다. 또한 피로 저항성, 내식성, 내마모성, 저온 특성, 비자성, 고전도·고열전도성, 충격 시 무스파크 등 뛰어난 종합 성능을 가지며 “비철 탄성 재료의 왕”으로 불린다.

성능에 따라 다음과 같이 분류된다:

고강도·고탄성형 베릴륨동 합금 (Be: 1.6~2.1%)
고전도형 베릴륨동 합금 (Be: 0.2~0.7%)

성형 방식에 따라:

가공형 합금: 압연 및 압출을 통해 판, 스트립, 봉, 선재 등으로 가공되어 스위치, 스프링, 접촉자 등 탄성 부품에 사용됨
주조형 합금: 강도와 경도가 높으며, 항공, 전자, 기계 산업에 사용됨 (예: 항공기 부싱, 드릴 헤드 등)

2.2 등급 및 화학 성분

본 연구에서는 고강도·고탄성형 베릴륨동 합금을 중심으로 하며, 중국에서 일반적으로 사용되는 등급은 QBe2이다. 이는 가공형 베릴륨동이며, 일본 및 미국의 유사 등급과의 화학 성분 비교는 다음과 같다:

등급	국가	Be (%)	Ni (%)	Co (%)	Si (%)	Cu
QBe2	중국	1.9~2.2	0.2~0.5	-	-	잔량
C1720	일본	1.9~2.15	0.2~0.25	0.35~0.65	<0.15	잔량
C17200	미국	1.8~2.0	≥0.2	≥0.6	-	잔량

Ni와 Co는 시효 과정에서 과도한 석출을 억제하고 합금 강도를 증가시키는 역할을 한다. 일본의 C1720에는 소량의 Si가 포함되어 있으며, Co와 적절한 비율로 존재할 경우 CoSi, Co₂Si 등의 화합물을 형성해 강도를 높인다. 그러나 Si가 과다할 경우 Be와 단단하고 취성인 공정 결정체를 형성해 인성을 저하시킬 수 있어 함량 제어가 중요하다.

QBe2는 광범위하게 사용되고 있지만, 가공 중 절삭 공구에 쉽게 달라붙는 특성이 있어 공구 수명을 단축시키는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해, 여러 나라에서는 Pb(납)를 합금에 첨가하는 방안을 도입하였다. Pb는 응고 시 미세하게 분포된 입자로 석출되며, 절삭 시 쉽게 파괴되어 절삭 칩을 부러뜨리고, 공구와의 부착을 줄여 절삭 성능을 크게 향상시킨다.

대표적인 쾌삭성 베릴륨동:

중국의 QBe1.9-0.4, 미국의 C17300은 동일한 화학 성분을 가지고 있다.

등급	Be (%)	Ni+Co (%)	Ni+Co+Fe (%)	Pb (%)	Al (%)	Si (%)	Cu
QBe1.9-0.4	1.8~2.0	≥0.2	≤0.6	0.2~0.6	≤0.2	≤0.2	잔량
C17300	1.8~2.0	≥0.2	≤0.6	0.2~0.6	≤0.2	≤0.2	잔량

중국의 국가표준 GB/T 5231-2012에 따르면 QBe1.9-0.4는 C17300을 참고한 것으로, 양자는 사실상 동일하다.

2.3 개발 현황

현재 세계에서 베릴륨동 생산을 선도하는 기업은 미국의 Brush Wellman과 일본의 NGK이다. 중국은 산업 진입이 늦었으며, 기술력 면에서 여전히 차이가 있다. 주요 이유는 생산 규모가 작고, 설비와 기술 수준이 낮으며, 자동화 정도가 떨어지기 때문이다.

국내외 공정 및 설비의 주요 차이점은 다음과 같다:

용해 방식:
해외: 비진공 유도 용해로 + 질소 탈기 + 바닥 주입 방식 → 결함 적고 품질 안정
국내: 진공 용해 + 경사 주입 방식 → 산화 및 기포 발생 가능성 높음
열간 압연:
해외: 고압력 롤링 장비, 큰 인고트, 적은 패스 수, 온도 제어 우수 → 정밀도 높음
국내: 낮은 롤링 압력, 작은 인고트, 많은 패스 수, 온도 급강하 → 공차 편차 큼
열처리:
해외: 보호가스가 있는 밝은 어닐링로 및 에어쿠션 담금질로 → 표면이 밝고 성능 안정
국내: 일반 저항로, 박스형, 연속 담금질로 → 보호가스 없음, 성능 불안정

그러나 최근 몇 년 사이, 중국의 베릴륨동 산업은 기술 개발에 있어 뚜렷한 성과를 내고 있으며, 일부 대형 제조사는 공정 및 장비를 개선하여 제품의 정밀도, 외관 품질, 기계적 안정성을 향상시켰다. 또한, C17200 및 C17300을 대체할 수 있는 국산 소재도 점차 시장에 출시되고 있다.

3. 전기 커넥터 분야에서의 베릴륨동 응용 전망

전기 커넥터는 전자·전기 시스템에서 널리 사용되는 기본 부품이며, 분리 가능성은 다른 부품과의 가장 큰 차별점이다. 커넥터에서 가장 핵심적인 부품은 접촉자이며, 전기 신호의 정상적인 전달은 접촉자의 밀착 접속을 통해 이루어진다. 접촉 신뢰성이 없으면 커넥터는 본래의 전기적 기능을 상실하게 된다.

접촉자 재료를 선택할 때는 탄성 한계, 탄성 계수, 인장 강도, 연신율, 피로 강도 등을 종합적으로 고려해야 한다. 강성 핀의 삽입·탈착 시 휘어짐 손실을 방지하고, 플러그 접촉 시의 신뢰성을 확보하며, 소성 변형 및 응력 이완을 방지하기 위해 일반적으로 고강도·고탄성형 베릴륨동 QBe2가 사용된다. 향후 재료 기술이 발전함에 따라, 가공성이 뛰어난 QBe1.9-0.4가 QBe2를 점차 대체할 것으로 기대된다.

하지만 베릴륨은 독성이 강하고, Pb 또한 인체와 환경에 유해한 물질이다. 특히 Be와 Pb 분진은 작업자의 건강에 치명적이고 비가역적인 손상을 줄 수 있으며, 생산 조건도 까다롭고 비용이 높기 때문에 민수용 전기 커넥터 제품에서의 적용에는 일정한 제약이 따른다.