납땜(soldering)은 450 °C 이하의 녹는점을 지닌 보충물 (일반적으로 땜납)을 사용하여 끊어진 두 개 이상의 물질을 결합하는 과정입니다. 결합할 부위를 가열한 상태에서 땜납을 접촉, 녹인 뒤 땜납 액체가 모세관 작용으로 결합할 부위로 스며 들어가고, 이후 냉각 과정을 통하여 굳으면서 결합이 이루어집니다. 땜납은 납땜에 사용되는 저융점의 합금을 일컫는데, 주로 납과 주석을 주성분으로 하죠. 최근에는 환경 보호를 위해 납을 포함하지 않는 무연 납땜들이 등장하고 있습니다. 용접(鎔接, welding)은 두개 이상의 물질들을 열과 압력으로 접합하는 기술입니다. 이는 물질들이 원자간 결합을 이루어 접합을 하도록 하며, 접합 강도가 납땜에 비해 매우 강하여 기계적인 연결을 위해 주로 사용됩니다. 납땜은 기계적으로 강한 접합보다는 전기적인 연결을 우선시하죠. 여기에서는 일단, 납과 주석의 합금인 땜납을 대상으로 하여 상(phase)과 상태도(phase diagram)에 관한 이야기를 풀어가 봅니다.
상(phase)이라 함은 두 종류 이상의 화합물이나 합금에서 고유의 화학적 조성과 결정 구조를 갖는 영역을 말합니다. 그리고 상태도(phase diagram)는 온도 변화에 따른 상의 변화, 즉 조성과 상태의 변화를 그림으로 표현한 것이죠. 두 물질 이상의 합금에 관한 이야기이므로 몇몇 용어들에 대한 이해가 먼저 필요합니다. 고용체(固溶體, solid solution)란 두개 혹은 그 이상의 성분을 함유하는 고체 상태의 용액이라 할 수 있으며, 용매는 다수, 다량에 해당하는 물질, 용질은 용매에 용해가 되는 소수, 소량의 물질을 의미하죠.
먼저 용해도 곡선(solubility, solvus curve)을 알아보죠. 물에 소금을 용해할 때 용해도는 온도에 따라 변합니다. 물론 온도가 올라가면 용해도도 증가를 하죠. 그리너 용액 내에서 소금의 농도가 용해도를 넘게 되면, 채 녹지 못한 소금이 침전을 하고 따라서 두 개의 상태, 즉 소금물(액체)과 소금(고체)이 존재하게 됩니다. 이제 이 내용을 고체 용매와 용질에서 적용하겠습니다. 예를 들어 순수한 구리의 녹는점은 섭씨 1083도로 명확히 정의가 되며, 구리는 이 온도 이상에서는 액체, 온도가 더 증가하면 기체, 그리고 녹는점 이하에서는 고체가 되죠. 이제 구리와 니켈의 합금을 생각해봅시다. 구리의 녹는점은 섭씨 1083도, 니켈의 경우에는 섭씨 1453도입니다만 두 물질이 고용체가 되어 합금을 이루면 녹는점들은 두 물질의 조성에 따라 변합니다. 즉, 녹는점 이상의 높은 온도에서 출발하면, 두 물질이 용매와 용질로서 완전히 용해된 액체에서 온도가 내려가면 액체와 고체가 혼재하는 영역이 나오고 그 다음으로 온전한 고체 상태가 얻어지죠.
즉, 두 물질의 합금에서는 항상 액체와 고체가 공존하는 영역(액상과 고상, 두 개의 상태)이 존재하며, 두 영역이 존재하는 온도 범위와 영역의 크기 등은 조성비에 따라 다릅니다. 이 현상을 보다 쉽게 이해하기 위하여 조성비와 온도에 따른 상태의 변화를 그림으로 표현한 것이 상태도입니다. 상태도의 가로축은 조성 변화, 세로축은 온도를 표시하며, 여기에 액체에서 고체로 응고되기 시작하는 액상선(liquidus line, 혹은 응고선)과 온전한 고체로 응고가 되는 고상선(solidus line)이 그려져 있습니다. 즉, 액상선은 여러 물질이 섞인 계의 일부가 고체 상태인 상과 모두 액체 상태인 상의 경계선, 고상선은 다성분계의 일부가 액체 상태인 상과 모두 고체 상태인 상의 경계선을 나타낸 곡선이라고 정의할 수 있죠.
특정 조성에 대해 액상 영역으로부터 온도를 아래로 내려가면 먼저 액상선을 만나게 되고 여기가 고체가 만들어지기 시작하는 지점입니다. 이를 지나면 액체와 고체가 함께 존재하는 영역으로 들어서는데, 임의의 지점에서 가로축에 평행한 직선을 그리면 액상선과 만나는 지점과 고상선과 만나는 지점을 얻을 수 있죠. 각각의 지점에 해당하는 조성들이 액체 상태에서의 조성과 고체 상태에서의 조성을 나타냅니다. 액체 상태와 고체 상태에서의 조성이 각각 다를 수는 있지만, 전체적인 조성은 처음의 특정 조성을 유지하고 있죠. 온도를 더 내려가게 되면, 고상선과 만나게 되며, 이 온도 이하에서는 물질이 전 영역에서 고체로 바뀌게 됩니다.
액상과 고상, 두 영역이 공존할 경우 각각의 상태가 차지하는 질량비, 즉 부분 질량은 지렛대 법칙(lever rule)으로부터 얻어집니다. 즉, 액상과 고상의 질량비의 합이 1(100%)이고, 각각의 질량비에 각각의 조성을 곱한 값들을 더하면 전체 조성이 나와야 하죠. 두 개의 연립 방정식을 풀어 액상과 고정의 질량비를 구하면, '고상의 조성과 액상의 조성의 차'를 분모로 두고 액상의 질량비는 분자를 '고상의 조성과 전체 조성의 차', 그리고 고상 조성은 '전체 조성과 액상 조성의 차'를 분자로 취한 값으로 얻어집니다. 상태도에서 이를 보면 마치 시소에서 전체 조성을 받침대로 하여 서로 다른 질량들이 양쪽에 놓여져 균형을 잡아가는 것으로 풀이할 수 있죠.
이제, 땜납을 대표하는 주석과 납의 합금에 대해 상태도를 적용하여 보겠습니다. 일단 땜납으로 사용하는데 있어서 주석과 납은 공히 녹는점이 낮고, 특히 주석의 질량비가 62wt%, 납이 38wt%일 때가 땜납으로 가장 적합합니다. 이 이유는 주석과 납의 상태도에서 찾을 수 있죠. 즉, 이는 고용체의 공융점(eutectic point)에 해당하며, 액상에서 냉각이 진행될 때 액상으로부터 액상과 고상이 함께 존재하는 영역을 거치지 않고 바로 고체로 전환되는 조성입니다. 녹는점이 가장 낮을 뿐더러 용융과 응고가 신속하게 진행이 되어 그 과정에서 에러가 발생할 우려가 없으며, 공융 조성(eutectic composition)을 갖는 물질은 매우 치밀하고 강도가 높습니다.
이러한 주석과 납의 상태도를 조금 더 들여다 보면, 여러 흥미로운 현상들을 알 수 있습니다. 예를 들어, 주석의 질량비가 10wt%일 때, 섭씨 350도의 온도, 즉 완전한 액체 영역으로부터 낮은 온도로 내려오면 먼저 액상선을 만나게 되고, 여기에서부터 작은 고체 결정들이 만들어지기 시작합니다. 이를 알파상으로 정의하면 액상선 아래 영역에서는 액상과 알파상 고체가 공존하죠. 온도를 더 낮추면 고상선을 만나게 되며 이 지점에서부터는 온전한 알파상 다결정 고체로 바뀝니다. 알파상의 작은 결정들이 여러 곳에서 생겼으므로 각각 성장을 하여 다결정을 만들었죠. 온도를 더 낮추면 또 다른 고상선을 만나게 되며, 여기에서는 또 다른 고체 결정인 베타상이 만들어지고 어느 정도에 이르기까지 성장을 하게 되죠. 알파상은 납이 상대적으로 풍부한 결정립이며, 베타상은 주석이 상대적으로 많은 고체 결정립에 해당합니다. 상태도를 이용하면 이러한 과정들을 알 수가 있게 됩니다.
주석의 질량비가 40wt%인 경우에는 조금은 다른 양상을 보이죠. 역시 섭씨 350도의 액상에서 온도를 낮추어가면 첫번째 만나게 되는 액상선에서 알파상이 만들어지고 그 아래에서 만나는 공융온도 섭씨 183도에서는 공융 상태의 고체가 생겨서 점점 성장합니다. 이러한 공융상은 알파상과 베타상이 번갈아 형성되면서 이루어지죠. 만일, 주석의 질량비가 61.9wt%, 즉 공융 조성이라면 액상으로부터 냉각이 진행되어 가면서 먼저 만들어지는 알파상은 없고, 알파상과 베타상이 함께 만들어지는 공유상만이 고체를 이룰 것입니다. 이러한 과정들은 상태도로부터 충분히 해석을 할 수 있죠.
끝으로 납의 유해성이 점점 부각되면서, 섭씨 300도 이하에서 공정이 가능하며, 납 성분을 함유하지 않는 솔더의 개발이 매우 활발하며 또한 시급하다는 점은 늘 염두에 두어야 할 것입니다.
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