Indium 사의 블로그

땜납의 기적

Monday, April 30, 2012

안녕하세요,

기원 전 3000년대의 동기 시대 제련업자들이 무척 힘들었을 것이라는 생각을 해봅니다. 그들은 제련이나 동을 용해하기 위해 장작불로 1085oC 까지 온도를 끌어 올려야 했지만, 때론 그 온도에 이를 수 없었을 것입니다. 혹시 성공했더라도, 그 동은 잘 흐르지 않았을 것이고 물렁물렁했을 것이니까요.

Bronze Strength 하지만, 그 당시에 이미 변화의 바람이 불기 시작했는데, 그건 주석에 관한 뉴스였습니다. 주석이 90%의 동과 혼합되면 그 산물인 청동의 용해온도는 8500C까지 떨어지는데, 이 같은 200oC가 넘는 온도의 차이는 대단한 것이었습니다. 이처럼 내려간 온도가 청동을 쉽게 녹일 수 있게 했고, 그 청동은 금형 속으로 더 잘 흘러들 수 있었으니까요. 게다가, 청동의 강도와 경도는 동의 몇 배에 달했습니다. 위의 수치를 보면, 동에 주석을 10% 추가했을 때, 3배의 강도를 갖는 청동이 만들어지는 것을 알 수 있습니다. 마침내 청동기 시대가 시작되었습니다. 동에서 청동으로 옮겨 가면서, 청동이 더 단단하고 강해진 것은 물론 제조가 쉽고 화로에 사용되는 소중한 나무도 절약할 수 있었던 초창기 제련업자의 즐거움을 생각해 보세요. 단점이라면, 주석은 그 때도 그랬고 지금도 그러하지만, 동보다는 귀한 금속이어서 청동의 제조비용이 동보다 많이 든다는 것이었습니다. 가난한 사람들이 갖을 수 있는 청동은 놋쇠 (동과 아연의 혼합물)입니다. 아연은 동보다 비용이 적게 들어서 놋쇠의 값은 비싸지 않았지만, 차트(왼쪽)에서 볼 수 있듯이 재질의 특성은 청동보다는 일반적으로 약한 것을 알 수 있습니다.

더 좋아진 강도와 경도로 인해, 청동은 전쟁에 있어서 중요한 재질이 되었습니다. 만약 여러분이 적과 동등한 전투력을 갖고 있더라도, 그가 청동으로 만든 칼과 방패로 여러분의 동제 무기와 맞서 싸운다면, 여러분은 매번 패배할 수 밖에 없었을 겁니다. 그래서 청동의 제련과 제조기술은 초창기의 군사기밀이었을 가능성이 많습니다.

이 같은 주석의 중요한 이점은 납과 합금할 때도 동일하게 적용되는데, 아주 낮은 온도에서도 용해되는 재질이 만들어져 동과 다른 금속을 결합시키는 것입니다. 드디어 땜납이 발명된 것입니다. 우리처럼 매일 솔더를 사용하는 사람들은 땜납의 기적을 간과합니다. 우리가 PWB 에 전자부품을 땜납할 때, 사실은 250oC 이하의 온도에서 동에 동(1085oC 에서 용해하는)을 접합시키는 것입니다. 우리는 사실 열에 민감한 플라스틱에 이런 야금술 접합을 하고 있는 것이지요. 땜납이 없었다면, 오늘날의 전자기기 업계는 존재할 수 없었을 겁니다.

땜납에서는 주석이 모든 “역할”을 합니다. 동과 함께 금속간 물질 Cu6Sn5 와 Cu3Sn 을 형성하는 것이 바로 주석입니다. 납, 은, 그리고 동과 같은 다른 솔더 합금의 요소들이 적시기, 스프레딩, 그리고 접합의 긍국적인 강도에 중요한 영향을 미치지만, 오직 주석만이 동과 야금술적인 상호작용을 합니다.