KR100963887B1 - 텅스텐을 이용한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법에 있어서, 텅스텐과 니켈을 포함하는 금속분말과 열가소성 바인더를 혼련하여 사출성형용 피드스탁을 생성하는 혼련단계와; 상기 피드스탁을 사출성형기에 주입하여 사출성형하는 사출성형단계와; 상기 사출성형단계에서 생성된 사출성형 결과물에서 열가소성 바인더를 제거하기 위한 탈지단계와; 상기 열가소성 바인더를 제거한 결과물의 고밀도화를 위한 소결단계를 포함하여 구성되되, 상기 금속분말의 중량에 대해, 상기 텅스텐은 90~99.5 중량부 및 상기 니켈은 0.5~10 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법 및 냉음극 형광램프용 전극에 관한 것이다.

냉음극 형광램프용 전극

Description

텅스텐을 이용한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법{Manufacturing Method of Electrode of Cold Cathode Fluorescent Lamp Using Tungsten}

본 발명은 냉음극 형광램프용 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 금속분말 사출성형 공법에 의하여 액정 디스플레이의 백라이트 등에 사용되는 냉음극 형광램프용 전극(CCFL)을 제조하는 방법 및 이에 의하여 제조되는 냉음극 형광램프용 전극에 관한 것이다.

도 1은 냉음극 형광램프의 구조를 나타내는 도면으로서, 냉음극 형광램프(CCFL)는 유리관(1) 내 양끝단에 전극(3)이 배치되어 있고 이 전극(3)은 단자(2)를 통해 외부로 접속되도록 구성되어 있다. 냉음극 형광램프는 액정 디스플레이 장치(LCD), 스캐너, 장식용 광원, PC의 모니터, 디스플레이의 후면광(Back Light) 등에 활용되는 램프이다. 일반의 형광등은 열음극관(Hot Cathode Fluorescent Lamp-HCFL)으로 불리는 것으로 전극을 가열하여 열전자 방출을 하고 있는데 반해, 냉음극 형광램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp-CCFL)는 음극을 가열하지 않고 전자 방출을 하는 방법을 사용한다. 이 때문에, 열음극관인 일반 형광등에 비해 냉음극 형광램프는 음극 강하 전압이 큰 특징으로 갖고 있다. 냉음극 형광램프용 전극(3)은 여기에 사용되는 그 핵심 부품으로 할로우 캐소드(Hollow Cathode) 효과를 얻기 위해 일단이 개구된 바닥이 있는 원통형상으로 이루어져 있다.

냉음극 형광램프의 구조 및 그 작동원리를 좀 더 구체적으로 설명한다. 냉음극 형광램프는 필라멘트의 가열 없이 낮은 온도에서 점등되는 형광등으로 유리관 양끝에 전극(3)이 있고, 램프 내부(5)에는 일정량의 네온과 수은, 아르곤 등의 혼합 가스가 들어 있으며, 유리관 내부 표면(4)에는 형광체가 도포된 일반 형광등과 유사한 구조를 갖고 있다. 그러나, 일반 형광등은 가열에 의해 전자의 방출이 시작되지만, 냉음극 형광 램프는 두 전극(3)에 가해진 고전압 전계에 의해 전자의 방출이 일어난다. 전자 방출이 시작되면 수은이 여기되어 자외선이 발산되며, 이 자외선이 유리관 내벽(4)의 형광체와 충돌하면서 가시광선을 발산시킨다.

즉, 시동 시에 전극(3) 간에 고전압을 인가하면 관 내에 존재하는 전자가 양 전극(3)에 이끌려 고속으로 이동, 전극(3)에 충돌하여 2차 전자가 방출되어 방전이 개시된다. 방전에 의하여 흐르는 전자는 관 내의 수은원자와 충돌하여 자외선을 발생시키며, 이 자외선이 형광물질을 여기(Exciting)시켜 가시광선을 발광한다.

이러한 동작원리를 갖고 있는 냉음극 형광램프는 다음과 같은 까다로운 성능조건을 요구한다. (1)고휘도, (2) 긴 수명, (3) 낮은 소비전력, (4) 낮은 전류 구동 능력, (5)세관(박형), (6) 저발열성, (7) 자외선 저방사, (8) 휘도 및 색도 균일도의 우수성 및 (9) 빈번한 점멸에 견딜 것 등이다.

이와 같은 까다로운 요구 사항을 만족시키기 위하여 냉음극 형광램프는 고휘도화의 요구에 따라 소형화가 필요하며, 이와 더불어 냉음극 형광램프용 전극은 (1)방전 특성이 탁월한 재료를 적용해야 하고, (2)긴 수명을 보장하기 위하여 방전량이 많아져도 안정적인 재료를 적용해야 하며, (3)저 소비전력 및 저 전력 구동을 달성하기 위하여 음극강하 전압이 낮은 재료를 적용해야 한다. 또한, 냉음극 형광램프용 전극은 (4)세관 특성을 위해서 보다 소형화가 되어야 하고, (5)대량 생산을 하더라도 부품으로서의 상기와 같은 기능을 균일하게 가질 수 있어야 한다.

하지만, 종래의 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법 및 이에 의해 생산된 전극은 이러한 요구사항을 전부 만족시키지 못하는 문제점이 있었다.

먼저, 종래 냉음극 형광램프용 전극의 제조 방법 중의 하나로서, 일축 프레스 성형을 통한 분말야금(PM)법을 들 수 있다. 이 방법은 원료분말을 프레스로 가압 성형하고, 그 성형체를 소결하는 제조방법이다. 프레스 성형을 통한 분말야금법은, 성형 시 금속분말의 유동성과 금속분말과 금형과의 접촉의 윤활성을 위해 성형 전에 성형 윤활제를 금속분말에 혼합시키는데, 이 때 사용되는 성형 윤활제의 첨가량이 적기 때문에 성형 후 탈지 공정이 간편하고 전체공정도 상대적으로 단순하다는 장점을 가지고 있어서 냉음극 형광램프용 전극 제조 방법으로 널리 적용 되어왔다.

하지만, 프레스 성형을 통한 분말야금법의 경우, 성형 시 금속분말 공급장치로부터 금속분말을 금형과 프레스로 구성된 공간에 떨어뜨려 넣는 방법에 의해 금형으로의 충전이 이루어지는데, 이렇게 떨어뜨리는 방법으로는 충전밀도의 편차를 해결할 수가 없다는 문제점이 있었다. 더욱이 성형체 충전밀도의 작은 변화에도 민감한 작고 얇은 제품인 냉음극 형광램프용 전극을 제조하는 경우에 있어서는, 그 편차는 큰 단점이며 생산 시 막대한 불량률을 야기하는 문제점이 있었다.

이에 따라, 프레스 성형을 통한 분말야금법의 이러한 문제점을 개선하기 위해 수 μm의 미세한 금속분말을 도입하였지만, 이 경우 점도의 증가로 인해 성형 시 금속분말의 유동성이 급격히 저하되고 충전성이 떨어져 양산 시 안정된 금속분말의 공급이 어려웠고 미성형에 의한 불량률도 많이 증가하였다. 또한, 무엇보다도 프레스 성형을 통한 분말야금법은 표면조도, 형상의 자유도 및 생산성이 떨어지는 큰 단점이 있었다.

또한, 기계절삭가공을 통한 전극의 제조방법도 있는데, 이 방법의 경우에는 기본적으로 한 기계당 한개씩의 제품만을 가공할 수 있어 생산성이 매우 떨어지며, 아울러 필연적으로 원소재의 절반이상을 가공 중에 낭비함에 따라 원소재의 과잉사용으로 인한 가격 상승을 초래하는 문제점이 있었다.

이 밖에 주조에 의한 전극제조방법도 있었는 바, 이 방법의 경우에는 기밀성의 문제와 치수 제어, 표면 조도 및 기계적 특성 확보 등의 어려움으로 인한 제약이 따랐다. 또한, 단조에 의한 전극제조 방법의 경우에는 생산성과 저렴성 등의 큰 장점은 있었지만, 이 방법은 비교적 단순한 형상의 제조에 적합하였기 때문에 작고 얇은 제품인 냉음극 형광램프용 전극 제조에는 부적합할 뿐만 아니라, 후가공이 타 제조기술에 비해 상대적으로 많이 들어간다는 문제점도 안고 있었다.

특히, 텅스텐을 냉음극 형광램프용 전극에 사용하고자 하는 경우, 텅스텐이 라는 소재 자체가 연성이 부족하고 소성가공이 어려운 등의 단점이 있기 때문에, 상기에서 언급한 프레스 성형을 통한 분말야금법, 기계절삭가공법 및 주조법 등의 종래 가공방법을 이용할 경우에는 기술적인 문제뿐만이 아니라 양산성(생산수율)도 떨어지는 등 치명적인 문제점을 안고 있어서 양산화시키기에는 한계가 있었다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 냉음극 형광램프용 전극에 요구되는 제반 제품 성능을 만족시키고, 소형의 얇은 제품의 생산에도 적합하며, 대량 생산시에도 비교적 균일한 물성을 갖출 수 있도록 하는 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법 및 그 전극을 제공하는 데에 있다.

특히, 음극강하 전압이 낮고 우수한 내열성과 내식성을 가진 텅스텐 소재를 이용하여 냉음극 형광램프용 전극의 생산시 우수한 품질과 양산성을 확보할 수 있도록 하는 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법 및 그 전극을 제공하는 데에 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법에 있어서, 텅스텐과 니켈을 포함하는 금속분말과 열가소성 바인더를 혼련하여 사출성형용 피드스탁을 생성하는 혼련단계와; 상기 피드스탁을 사출성형기에 주입하여 사출성형하는 사출성형단계와; 상기 사출성형단계에서 생성된 사출성형 결과물에서 열가소성 바인더를 제거하기 위한 탈지단계와; 상기 열가소성 바인더를 제거한 결과물의 고밀도화를 위한 소결단계를 포함하여 구성되되, 상기 금속분말의 중량에 대해, 상기 텅스텐은 90~99.5 중량부 및 상기 니켈은 0.5~10 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서, 상기 열가소성 바인더는 왁스계 바인더를 포함하는 것이 바람 직하다.

본 발명에서, 상기 열가소성 바인더는 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM) 또는 폴리에틸렌(polyethylene, PE)를 포함하는 고분자재료를 더 포함하되, 상기 고분자재료는 상기 열가소성 바인더의 부피를 기준으로 하여 30~40 부피% 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 금속분말은 상기 피드스탁의 부피를 기준으로 45~55부피%의 비율로 혼련되는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 금속분말에 포함된 텅스텐분말의 분말입경은 0.1~5㎛이고 탭밀도는 3~7g/cc인 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 금속분말에 포함된 니켈분말의 평균분말입경은 0.1~10㎛이고 겉보기밀도는 0.1~1g/cc인 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 혼련단계에서 혼련온도는 120~180℃이고 혼련시간은 1~4시간(hr)인 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 소결단계에 의하여 상기 냉음극 형광램프용 전극은 상대밀도 90~98%로 고밀도화되는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 소결단계는 1300~1550℃ 범위의 소결 최고온도조건을 0.5~4시간(hr) 동안 유지시키는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 열가소성 바인더는 왁스계 바인더를 포함하고, 상기 탈지단계는 열분해 방법에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 탈지단계는 500~900℃ 범위의 최고온도조건을 1~4시 간(hr) 동안 유지시키는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 텅스텐과 니켈을 포함하여 구성된 냉음극 형광램프용 전극에 있어서, 전체 조성 중 상기 텅스텐은 90~99.5 중량부 및 상기 니켈은 0.5~10 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광램프용 전극을 제공한다.

본 발명에서, 상기 냉음극 형광램프용 전극의 상대밀도가 90~98%인 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법에 따르면, 금속분말사출성형을 통해 높은 형상비의 제품 성형이 가능하며, 생산성 향상은 물론 뛰어난 정밀도와 균질의 물성을 갖춘 전극 제품의 생산이 가능하다. 특히, 본 발명에 따르면, 음극강하 전압이 낮고 우수한 내열성과 내식성을 가진 텅스텐 소재를 이용하여 냉음극 형광램프용 전극을 생산함에 있어 우수한 품질뿐만 아니라 양산성까지 확보할 수 있는 효과가 있다. 이로 인하여, 본 발명에 의한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법은 종래 제조방법을 대체하는 파급효과를 얻을 수 있으며, 탁월한 양산성, 치수제어를 통한 우수한 조립성 및 우수한 물성제어특성에 의하여 경제적 이익창출을 극대화할 수 있는 효과도 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시 예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 권리 보호 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

금속분말 사출성형공법은 미세한 금속분말과 고분자 혼합물인 바인더를 혼합하여 기존의 플라스틱처럼 사출성형하고 성형체에 혼합된 바인더를 제거한 후 최종적으로 고온소결하여 고밀도의 정밀부품을 제조하는 기술로서, 전통적인 분말야금분말산업에서 발달되어 온 금속분말 소결기술의 장점과 정밀한 치수 및 형상제어가 가능한 플라스틱 사출 성형기술의 장점을 접목한 기술이라 할 수 있다.

즉, 금속분말 사출성형공법은 분말의 유동성 제한이나 압축력 전달의 어려움 때문에 통상적인 분말야금(PM)공정에 의해서는 얻을 수 없는 복잡한 형상의 부품을 플라스틱 사출성형에서와 같은 성형원리를 이용하여 분말성형체를 얻을 수 있게 하는 새로운 성형공법이다. 금속분말사출성형공법은 미세한 금속분말과 사출성형성의 주체가 되는 고분자 결합제인 바인더를 혼합하여 이를 금형 내로 사출성형 한 후, 사출성형체에서 결합제를 제거하는 탈지공정을 거쳐, 금속분말만을 최종 고온 소결하여 치밀화를 이루는 일련의 공정으로 구성되어 있다.

금속분말사출성형에 의해 제조되는 복잡한 형상의 부품은 기계적 성질과 치수 정밀도가 우수하면서 대량 생산이 가능하기 때문에, 금속분말 사출성형공법은 차세대 주력 제조공법으로서 주목 받고 있다. 금속분말 사출성형공법을 적용할 경우 제품 모양의 복잡성, 저렴한 가격과 높은 성능 등의 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 최종제품의 치수를 미리 예측할 수 있기 때문에 최종제품의 후 가공작업을 줄일 수 있으며, 파금속이 적어 경제적으로 원재료를 절약할 수 있다. 본 공법의 기계설비나 금형 등은 이미 기존 열가소성수지 제품의 사출성형에 적용되었던 컴퓨터 프로그램에 의하여 설계되어질 수 있고 주요 설비 가격은 다른 성형기술의 것과 비교하면 상대적으로 저렴하다. 더 나아가 최종제품의 표면 상태는 매우 좋은 편이다.

금속분말 사출성형공법 내의 분말제조 기술, 원료 배합기술, 성형기술 및 소결기술의 발전에 따라 저가격의 실현이 가능해져, 최근 휴대폰부품, 고급시계 밴드 등의 장식품, 의료부품, 산업용 기계부품, 군수부품, 자동차부품 등의 복잡형상 부품 등으로 그 용도가 확대되고 있다.

금속사출 성형공법의 장점을 요약하면,(1) 복잡한 형상 제품의 대량생산 가능, (2) 높은 치수 정밀도, (3) 수려한 표면조도, (4) 원재료의 리사이클링을 통한 낭비절감, 및 (5) 물성제어 용이 등이다.

본 발명에 의한 일실시예에 따른 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

본 실시예에 따른 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법은 텅스텐과 니켈을 포함하는 금속분말과 열가소성 바인더를 혼련하여 사출성형에 적합한 피드스탁을 생성하는 혼련단계와; 상기 피드스탁을 사출성형기에 주입하여 성형하는 사출성형단계와; 상기 사출성형단계에서 생성된 사출성형 결과물에서 열가소성 바인더를 제거하기 위한 탈지단계와; 상기 열가소성 바인더를 제거한 결과물의 고밀도화를 위한 소결단계를 포함하여 구성된다. 상기에서, 피드스탁(feed stock)은 금속분말과 열가소성 바인더의 혼합체를 의미한다.

냉음극 형광램프용 전극에서 요구되는 물성을 충족하도록 하기 위하여 각 공정별로 즉, 금속분말 선택, 바인더 선택, 원료 배합기술, 금형설계, 사출성형 조건, 탈지 스케줄 및 소결 스케줄 등에서 최적 조건을 유지하도록 해야 하는데, 본 실시예에서 본 발명의 고안자는 부단한 실험과 연구를 통하여 각 공정별로 이러한 최적의 조건을 산출하였다.

이하, 본 실시예를 각 단계별로 상세하게 설명한다.

1. 금속분말 및 열가소성 바인더 선택

1) 금속재종 선택

최근에는 냉음극 형광램프용 전극재료로서 기존의 니켈을 대신하여 보다 음극강하 전압이 낮고 내열성과 내식성을 가지는 재료가 요구되어 왔다. 본 실시예에서는 이러한 요구에 따라 텅스텐을 기본 소재로서 사용한다. 텅스텐은 주기율표 6족에 속하며 굳고 단단한 백색 또는 회백색의 금속원소로서, 주로 철망간중석을 알칼리융해하거나 회중석을 염산으로 처리하여 얻은 산화텅스텐수화물을 수소기류 속에서 가열하여 만든다. 텅스텐은 주로 텅스텐강, 고속도강 등의 합금을 제조하는 데에 사용되며, 순수한 텅스텐은 백열전구나 진공관의 필라멘트, 용접용 전극, 전기 접점 등과 같은 전기 분야에서 사용된다.

텅스텐은 냉음극 형광램프용 전극재료에 요구되는 일반적인 특성, 즉 낮은 음극강하 전압, 내열성 및 내식성 등의 요구조건에 적합한 특성을 갖고 있다. 이에 본 실시예에서는 전극 재료로서 일함수(work function)가 낮고 스퍼터링되기 어려운 고융점 금속인 텅스텐(용융점3410℃)을 적용한다.

더욱 구체적으로는, 본 실시예에서는 전극에 포함된 금속에 대해, 텅스텐이　90~99.5 중량부 및 니켈이 0.5~10 중량부가 포함되도록 구성한다. 텅스텐은 고융점이면서 방전 특성이 우수하기 때문에 냉음극 형광램프의 까다로운 요구 성능을 만족시킬 수 있다. 다만, 순수 텅스텐만의 전극은 연성이 부족하기에 소성가공이 어렵고 양산성(생산수율)이 떨어지기 때문에, 냉음극 형광램프용 전극재료로서는 부적합하다. 따라서, 본 실시예에서는 냉음극 형광램프용 전극의 형성시 텅스텐을 기본 소재로 하여 니켈이 적정량(0.5~10 중량부) 포함되도록 함으로써, 전극의 수명은 단축시키지 않으면서 소결 온도를 낮출 수 있고 동시에 텅스텐베이스합금의 부족한 연성을 개선시킬 수 있도록 한다.

2) 금속분말 선택

냉음극 형광램프용 전극의 기능을 만족시키기 위해 사출 전 금속분말의 특성을 파악하여 최적의 금속분말을 선정하는 것이 매우 중요하다. 가장 이상적인 금속분말은 혼합과 사출성형을 위해서는 낮은 표면 에너지를 가져야 하며 소결을 위해서는 반대로 높은 표면 에너지를 가져야 한다. 따라서, 혼합과 사출성형을 위해서는 구형분말이 적합하고 소결을 위해서는 표면적이 큰 불규칙한 분말이 적당하다. 이러한 두가지 요건을 동시에 충족시키기 위해서는 구형분말을 미세하게 만드는 것 이 매우 중요하다.

금속분말사출성형공정에서 불규칙한 모양의 분말을 사용하게 되면, 바인더의 제거 후 성형체의 강도는 증가되나 충전밀도는 감소하게 된다. 반면에 구형인 분말을 사용하면 충전밀도가 증가하기 때문에 바인더의 양을 감소시킬 수 있으며, 소결 후 치수변화를 최소화 할 수 있다. 또한, 높은 충전밀도로 성형체 강도를 증가시킬 수 있기 때문에 금속분말 사출성형공법에서는 구형 분말이 바람직하다. 본 실시예에 적용한 금속분말로는 표 1과 같이 구형이면서 미세한 분말을 사용한다.

금속분말

재종	분말형상	탭밀도(Tap Density)	평균분말입도
W(90~99.5 중량부)	구형	3~7g/cc	0.1~5㎛

재종	분말형상	겉보기 밀도	평균분말입도
Ni(0.5~10 중량부)	구형	0.1~1g/cc	0.1~10㎛

상기에서 겉보기 밀도(apparent density)란 분말을 일정한 부피에 채우고 그 채워진 분말의 질량을 그 부피로 나눈 값을 말하는 것으로, 분말 입자들 사이의 공간 또는 내부의 기공을 포함한 있는 그대로를 쌓아서 담은 분말의 단위 체적당 질량이라고 할 수 있다. 그리고, 탭밀도(tap density)는 다져진 밀도, 즉 분말을 충전할 때 일정한 조건으로 용기를 진동시켜 얻어지는 분말의 밀도를 말하는 것으로, 일정 질량의 분말을 실린더에 넣어 기계적으로 진동시켜 더 이상 분말 부피가 줄어들지 않을 때의 체적을 결정하여 밀도를 측정한 것이다.

3) 열가소성 바인더 선택

열가소성 바인더는 혼련공정 이후의 사출성형 공정시 원하는 형상으로 피드스탁을 균일하게 충전시키고 소결이 시작될 때까지 사출 성형된 형상을 양호하게 유지하도록 하는 중간 매개체이다. 열가소성 바인더는 최종 제품에는 거의 존재하지 않지만, 혼련과정, 사출성형공정, 탈지공정 및 소결공정 내의 금속분말 확산 전의 저온에서의 승온과정 등에 있어 없어서는 안 될 매우 중요한 인자이다. 열가소성 바인더로는 냉음극 형광램프용 전극의 재료로 사용되는 미세한 구형의 금속 분말에 맞는 바인더를 적용해야 한다.

열가소성 바인더의 기본 요건을 살펴 보면 다음과 같다. 먼저, 열가소성 바인더는 i) 혼련공정에서 금속분말과 잘 적셔져서 액상혼합이 균일하게 이루어질 수 있어야 하고, ii) 사출성형공정에서는 금형 공간에 혼합된 분말과 유동성 좋게 흘러 들어가야 하며, iii) 사출성형 후 탈지공정 시에는 사출성형체에서 손쉽게 제거될 수 있어야 한다.

아울러, 열가소성 바인더의 가장 중요한 역할 중의 하나는 바인더와 금속분말 사이에서 내부 결합을 이루도록 하여 그 혼합체인 피드스탁의 점도를 줄임으로써, 사출성형 시의 유동성을 향상시키고 고상률(solid loading, 금속분말의 부피분율)을 증가시켜 소결 시의 수축율을 낮추어 소결성을 향상시키며 제품의 치수제어를 용이하게 해 주는 것이다. 또한, 피드스탁이 결함없이 혼합과 성형이 효과적으로 이루어지도록 하기 위해서는 유동특성을 만족해야 한다. 유동특성은 열가소성 바인더의 종류, 사출성형 시의 온도, 변형률, 고상률, 금속분말 특성 등에 의존한다.

일정한 고체상의 함량에서 낮은 점성을 갖는 피드스탁은 낮은 점성을 갖는 바인더, 즉 비교적 저분자량을 갖는 바인더를 적용함으로써 확보할 수 있으며, 이러한 바인더로서는 왁스계 바인더가 있다.

이러한 이유로 본 실시예에서는 파라핀왁스(paraffin wax) 등을 사용한 왁스계 바인더를 적용하되, 일반적으로 순수한 왁스계 바인더만 사용하게 되면 바인더의 역할이 불충분하기 때문에 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 등의 고분자 재료를 전체 열가소성 바인더의 부피를 기준으로 하여 30~40 부피% 선택적으로 첨가하여 사용한다. 즉, 본 실시예에서 상기 열가소성 바인더로는, 전체 바인더 부피를 기준으로 60~70 부피%의 왁스계 바인더를 주된 바인더 성분으로 하여 여기에 상기 고분자 재료를 첨가한 바인더를 사용한다.

2. 원료 혼련 공정

원료 혼련공정은 텅스텐과 니켈을 포함하는 금속분말과 열가소성 바인더를 혼련하여 사출성형용 피드스탁을 생성하는 공정이다. 금속분말과 열가소성 바인더의 조성을 결정하는 원료 혼련 공정은 사출성형 시 장입재료로 쓰이는 피드스탁의 특성 또는 품질을 결정하는 매우 중요한 공정이다.

피드스탁의 형성시 고상률이 과다하게 높으면 높은 점도때문에 사출성형성이 급격히 떨어진다. 즉, 열가소성 바인더의 양이 감소하게 되면 점도가 높아지게 되어 금형 내에서의 피드스탁의 유동성이 떨어지고 피드스탁 내에 기공(pore)이 형성되어진다. 반면에 고상률이 과다하게 낮으면 상대적으로 다량인 바인더로 인해 탈지공정이 길어지게 되고, 온도가 올라감에 따라 바인더가 과다한 곳에서 갑자기 입자가 가라앉거나 이동되기 때문에 가소결되기도 전에 형상유지력을 잃어 성형체가 부서지게 되며, 소결 공정 시에는 수축률이 커지므로 금형설계 시의 예상 수축률을 크게 벗어나게 되어 치수제어에 많은 문제를 야기하게 된다. 뿐만 아니라, 사출성형 시 여분의 바인더가 금속분말입자들을 분리시켜 불균일한 사출성형체를 부분적으로 형성시켜 치수제어에 문제를 초래하게 된다.

따라서, 가장 이상적인 피드스탁의 배합은 금속분말들이 점결합을 이루고, 바인더 내에 기공이 존재하지 않도록 하는 것이다. 본 실시예에서는 이러한 이상적인 피드스탁 제조와 무결점의 제품 성형을 위해 아래와 같은 혼련조건을 요구한다.

우선, 금속분말과 열가소성 바인더의 혼합과정에서 혼련공정을 통해 생성된 피드스탁이 사출성형공정에 적합한 유동성을 갖는 최적의 고상 충진량을 갖도록 설정하기 위해, 특정 온도에서 분말의 부피 백분율(%) 첨가에 따른 혼련 과정에서의 토크(torque)변화값을 조사하였다.

토크값이 급속히 높아지는 임계조건에서 액상 유기 바인더의 함량이 결핍되기 시작하여 윤활성이 현저히 저하되고 사출성이 확보되지 못하게 되는데, 본 실시예에서는 금속분말이 피드스탁의 부피를 기준으로 45~55부피%의 비율로 혼련되도록 하여 적정 사출성을 확보하였다.

또한, 혼련 시 온도변화에 따른 토크변화를 조사(Torque(N*m) Vs Temp.(℃))하여 적정 사출온도를 결정하는 실험을 실시하였으며, 이를 통해 사출에 적합한 온도로서 가장 낮은 토크값을 나타내는 120~220℃를 산출하였다.

상술한 바와 같이 사출성형공정 등에 적합한 특성을 가지는 피드스탁을 생성하기 위한 적정 혼련 조건을 산출하였는 바, 표 2에 표시된 바와 같다.

혼련조건

작업변수	혼련속도	혼련온도	혼련시간
조건	600~800RPM	120~180℃	1시간~4시간

3. 펠레타이징

혼련기에서 잘 만들어진 피드스탁이 나오면 식혀서 작은 과립형 덩어리로 만들어야 한다. 사출성형 전, 혼련에서 나온 피드스탁을 펠릿 형태로 만들어 사용하는 목적은 크게 두가지로, (1) 일정한 사이즈를 갖게 하여 사출기 안에서 균일한 양으로 장입될 수 있고 균일하게 용융되면서 이동될 수 있도록 한다는 점과, (2) 재활용 재료가 다시 사출성형공정에 쓰일 수 있도록 한다는 점이다. 금속분말사출성형 공법은 이러한 재활용으로 인해 경제적인 면에서 매우 유리하다.

본 실시예에서 펠릿 사이즈는 7~9mm * 직경 4~6mm으로 균일하게 제작한다. 만일, 펠레타이징 없이 분쇄를 행할 경우, 피드스탁 입자의 크기와 모양이 불규칙하여 입자 크기 산포가 넓어지며, 원료의 균질성이 부족하게 되어 사출성형 시, 밀도구배가 낮고 충진률이 높은 양질의 균일한 사출체를 양산하기 어려워진다.

상기와 같이 설명된 펠레타이징 조건을 정리하면 표 3과 같다.

펠레타이징 조건

작업변수	스크류 속도	커터속도	히터 온도
조건	60~65RPM	10~15RPM	80~120℃

4. 사출성형 공정

사출성형공정은 피드스탁을 사출성형기의 호퍼에 주입한 후 금형의 캐비티에 사출을 하여 성형하는 공정이다. 사출성형공정의 목적은 기공이나 다른 결함이 존재하지 않고 원하는 제품형상으로 금속분말이 균일하게 분산된 사출성형체를 얻는 것이다. 이 목적을 충족시키기 위해, 우선 혼련공정을 통해 제조된 피드스탁을 과립 형태로 사출성형기에 투입하고 사출성형기의 가열 실린더 내 온도를 상승시켜 피드스탁에 포함된 왁스계 바인더가 유동성을 가지도록 사출성형기의 배럴온도를 상승시킨다. 사출성형 공정 시 사출온도와 사출압력은 금형 내의 스프루(sprue), 러너(runner), 게이트(gate) 등의 굵기 내지 직경, 길이 등과 더불어 중요한 사출성형의 변수가 된다.

사출성형은 사출기의 배럴 안에 있는 펠릿형태의 피드스탁의 용융으로부터 공정이 시작된다. 배럴 안에서 왕복회전운동을 하는 스크류는 장입된 피드스탁을 채우고 균질화시키며 혼합체에 압력을 가한다. 즉, 사출단계는 용융된 피드스탁을 금형 안으로 밀어넣기 위해서 배럴 안에 있는 스크류가 앞으로 전진함으로써 이루어진다. 금형은 금형의 캐비티에 막 들어와 충진되어지는 피드스탁보다 차갑기 때문에 점점 온도가 떨어져 점도가 증가하게 된다. 따라서, 점도를 보상하기 위해 일정한 금형온도의 유지 뿐만 아니라, 피드스탁이 다 충진될 때까지 계속적으로 압력(사출압력,보압)이 증가되어야 한다. 충진이 완료되어 성형이 이루어진 후에 피드스탁의 열은 금형을 통해 빠져나가게 된다. 어느 정도 냉각되어 단단해진 사출성형체를 꺼내기 위해 금형을 열었을 때 사출성형체의 형상을 유지하기 위해서 밀핀(ejecting) 시의 온도는 피드스탁의 임계유동온도보다 낮아야 한다.

본 발명의 발명자는 사출성형시 사출성형체의 밀도구배를 없애고 기포를 없애기 위한 최적의 사출조건의 조사 및 사출공전 전의 원료배합 조절에 많은 시간과 노력을 투자했다. 고상률이 높으면 점도가 증가하여 사출성형 시 높은 사출압력이 필요하다. 높은 사출압력은 점성을 변화시키고 금속분말과 바인더를 분리시킨다. 또한, 점성은 온도와 변형률에 민감하기 때문에 금형의 기하학적인 형태에 따른 유동성은 연속적으로 변화한다. 이렇게 사출조건이 불완전하게 되면 피드스탁은 금형 안에서 밀도 구배를 갖고 충진될 것이고, 이는 최종적인 소결공정에서 치수변형으로 이어진다.

그러므로, 본 실시예에서는 균일한 충진밀도와 기포방지의 효과를 얻기 위해 최적의 고상률, 사출온도, 사출압력, 금형 구조(특히, 스프루, 러너, 게이트의 사이즈, 가스빼기)의 선정 및 습도관리 등에 신중을 기했다. 사출작업에 적합한 배럴의 온도는 약 120~220℃범위가 적당한 것으로 나타났으며, 아래 표 4에서와 같은 사출조건을 설정한다. 배럴온도가 120℃미만일 경우는 피드스탁의 유동성이 급격히 저하되어 금형 캐비티(cavity)에 피드스탁이 충분히 충진되지 않아 미성형이 발생한다. 반대로 사출온도가 220℃를 넘어설 경우는 피드스탁의 점성이 급격히 저하되어 충진속도가 필요이상 빨라져 사출압력이 높을 때도 일어나는 제팅(jetting)현상이나 플래시(flash)현상이 빈번이 발생할 뿐만 아니라 캐비티에 피드스탁이 달라붙는 스티킹(sticking)현상 등도 발생한다.

적정사출조건

제어변수	사출속도	사출압력	보압	금형온도	사이클시간
입력값	20~40mm/s	1000~2300kgf	1000~2200kgf	상,하40℃	5~60sec

5. 탈지 공정

탈지공정은 사출된 성형체 중에서 결합제인 열가소성 바인더를 제거하기 위한 공정이다. 상기와 같이 사출 성형된 제품에 대하여 열가소성 바인더를 제거하기 위해 탈지공정을 수행하며, 이러한 탈지공정은 소결 후 완성품의 품질에 큰 영향을 미치는 요소가 된다. 본 실시예에서는 사출성형체에 대해 바인더의 열중량분석(TGA, Thermal Gravimetric Analysis)과 시차열분석(DTA, Differential Thermal Analysis)을 수행하였으며, 그 결과에 따라 도 2와 같은 탈지 스케줄을 완성하였다.

탈지 공정의 스케줄을 짤 때에는 열가소성 바인더의 특성과 금속분말특성을 잘 고려해서 치밀하게 짜야하는데, 이는 사출성형체 내에 있던 바인더가 빠져나가더라도 제품의 형상이 양호하게 유지되도록 하기 위함이다. 만일, 소결 전 탈지공정이 완벽하게 이루어지지 않으면, 피드스탁의 부피를 기준으로 45~55부피%로 채워진 바인더가 빠져나가면서 약해진 성형체에 결함이 쉽게 발생하게 된다. 따라서, 입자들 사이의 부서짐 없이 바인더가 잘 빠져나가도록 매우 섬세한 여러 단계의 과정을 거쳐야 하기에 탈지공정은 매우 어려운 기술 중의 하나이다.

본 실시예에서는 열분해(Thermal decomposition)를 통해 바인더를 제거하는 탈지공정을 사용한다. 열분해 탈지공정은 탈지로 내에 장입한 사출성형체를 서서히 가열하여 바인더를 열분해를 통하여 기화 증발시키는 방법이다. 본 실시예에서는 기화된 바인더를 운반(carrier)하여 외부로 보내는 역할과 성형체의 산화를 방지해 주는 역할을 담당하는 탈지로의 분위기 가스로 수소를 선정한다. 열분해법에서는 바인더와 금속분말 특성을 잘 파악하여 탈지스케줄을 잘 짜는 것도 중요하지만, 기화된 바인더가 탈지로에 충만하거나 역류하지 않고 신속히 외부로 빠져 나가게 하는 캐리어 가스의 역할도 매우 중요하다.

탈지로 용량과 전극제품의 사이즈와 양을 고려해서 수소가스 유량은 분당 5~50리터로 한다(표 5 참조). 만약, 수소 가스 유량이 5L/min미만이 되면 기화된 바인더가 제대로 운반되지 못하며, 50L/min를 넘어서게 되면 수소가스량이 과다하여 탈지로 내로의 역류 현상이 발생한다.

열분해법에서는 바인더를 가열할 때 가열온도에 따른 기화 제거량의 관계가 직선적으로 증가되는 것이며 이러한 이상적인 관계를 갖도록 몇가지 바인더 성분을 혼합 사용한다. 탈지 공정 시 바인더 내의 여러 성분이 점차적으로 빠져 나가는데 상대적으로 저온 상에 제거되는 성분이 충분히 빠져나가는 동안 남아있는 다른 바인더 성분들이 제 위치에 고정되어 성형체의 형상을 유지시킨다. 일반적으로 첫 번째 조성의 바인더가 제거될 때, 부피변화가 작게 일어나면 성형체의 변형을 최소화 할 수 있다.

바인더가 성형체로부터 빠져나가는 과정을 두 가지 형태로 나누어 소개하면, 바인더가 액체상으로 내부에서 표면까지 이동한 후 표면에서 기체로 증발하는 것과 내부에서부터 기체로 제거되는 것으로 나눌 수 있다. 왁스계 바인더는 전자에 속하고 수지계 바인더는 후자에 속한다. 왁스계 바인더를 적용하는 경우 기화제거가 성형품의 표면 혹은 표면 근처에서 일어나기 때문에 증발속도가 크더라도 성형품의 파괴가 적게 되는 장점이 있다.

본 실시예에서는 상술한 바와 같이 열가소성 바인더가 왁스계 바인더를 포함하도록 구성하였으며, 열분해 곡선을 이용하여 바인더의 상변태가 시작되는 온도의 전후로 탈지시간을 길게 유지시켜 주고 무게변화가 시작되는 온도부터 승온 속도를 천천히 하여 바인더의 급격한 이탈로 인한 전극제품의 변형이나 결함이 발생하지 않도록 한다. 이에 따라, 탈지 공정에서의 최고 온도 유지 조건, 가스 분위기, 가스 유량, 총 탈지시간 및 탈지율 등에 대한 최적의 공정 조건을 아래 표 5와 같이 도출하였다.

탈지공정조건 및 탈지율

제어변수	최고온도* 유지시간	가스 분위기	가스 유량	총 탈지시간	탈지율
입력값	(500~900)℃ *(1~4)hr	수소	5~50 L/min	15~60hr	90~100%

6. 소결 공정

소결공정은 제품 내의 개별 입자를 서로 결합시키고 최종 제품에서 요구되는 강도를 부여하기 위한 열처리 공정이다. 본 실시예에서 상기 탈지공정을 거친 탈지체는 도 3에 도시된 바와 같은 소결 스케줄에 따라 소결공정을 실시하여 고립 기공(closed pore)의 생성을 줄임으로써 상대밀도 90~98%의 고밀도 전극부품 제조가 가능하다.

여기서, 상대밀도(relative density)라 함은 이론밀도에 대비한 소결체의 밀도를 나타내는 것으로서, 이 때 이론밀도(theoretical density, 진밀도)는 금속의 내부에 기공 등의 결함이 전혀 없을 때의 밀도를 나타낸다. 즉, 소결공정 이후의 소결체의 내부에는 기공이 존재하는 바, 상대밀도는 이론밀도에 대비한 소결체의 밀도를 표시할 때 사용한다.

소결은 원자레벨에서의 열적인 활성화된 분말의 확산과정이며, 이를 통해 결과적으로 분말입자의 비표면적이 감소된다. 그로 인해 금속분말입자 간의 접촉면적이 증가하여 치밀화가 이루어지면서 탈지에 의해 생긴 기공 면적이 소결에 의해 감소함으로써, 제품이 수축되어 고밀도화가 이루어진다.

본 실시예에서의 소결을 하는 주된 목적은 다공성을 가진 탈지체를 소결을 통해 고밀도화시켜 궁극적으로 요구되는 물성의 냉음극 형광램프용 전극제품을 만드는데 있다. 소결조건은 금속분말의 재종과 분말의 입도, 형상 및 입도분포 그리고 성형체를 제조하기까지의 여러 공정을 고려해서 최적으로 선정한다.

특히, 본 실시예에서의 소결공정의 최대 목적인 상대밀도 90~98%의 고밀도화를 달성하기 위해 입도 크기, 소결의 승온속도, 온도, 시간, 소결 분위기 등이 중요한 파라미터가 된다. 또한, 소결공정에서는 치밀화를 위해 사출성형체 대비 14%이상의 수축이 일어나므로 전극부품 자체의 균일한 치밀화와 한 배치 전체의 재현성 높은 소결조건을 유지하기 위해 승온속도, 유지시간, 소결온도 영역에서의 소결로 내 온도분포를 면밀히 조사하여 제품을 배치하는 간격을 정하는 것 등도 중요하다.

고융점 원소인 텅스텐 분말만을 적용할 경우 상대밀도 80%이상을 확보하기 위해서는 1700℃이상의 소결온도가 필요하다. 하지만, 본 실시예에서와 같이 텅스텐은 90~99.5 중량부 및 니켈은 0.5~10 중량부를 포함하여 구성되도록 하면, 소결 최고온도 1300~1550℃에서 0.5~4시간 유지하는 조건으로 상대밀도 90~98%를 달성할 수 있고, 이로 인해 뛰어난 생산능력을 확보할 수 있다. 본 실시예에서는 표 6에서와 같이 소결조건을 설정하였다. 소결온도가 1550℃를 넘어설 경우, 상대밀도가 98%이상으로 치밀화되어 소결체내 독립기공(다른 기공과 연통하고 있지 않은 기공)이 생겨 할로우 캐소드 효과가 급격히 감소한다.

소결공정조건 및 상대밀도

제어변수	최고온도* 유지시간	가스 분위기	가스 유량	총 소결시간	상대밀도
입력값	(1300~1550)℃ *(0.5~4)hr	수소	5~50 L/min	10~30hr	90~98%

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 의한 상기 실시예에 따르면, 금속분말과 열가소성 바인더를 혼련하여 피드스탁을 생성하는 혼련공정과, 상기 피드스탁을 사출성형하는 사출성형공정과, 사출성형 결과물에서 열가소성 바인더를 제거하기 위한 탈지공정과, 전극의 고밀도화를 위한 소결공정을 통해서 고밀도의 냉음극 형광램프용 전극을 제조할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 금속분말사출성형을 통해 높은 형상비의 제품 성형이 가능하며, 생산성 향상은 물론 뛰어난 정밀도와 균질의 물성을 갖춘 전극 제품의 생산이 가능하다. 또한, 본 실시예에 의한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법은 종래 제조방법을 대체하는 파급효과를 유도할 수 있으며, 양산성이 탁월하고 치수제어를 통한 조립성 확보 및 물성제어가 용이하며 경제적 이익 창출을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명에 따르면, 음극강하 전압이 낮고 우수한 내열성과 내식성을 가진 텅스텐 소재를 이용하여 냉음극 형광램프용 전극을 생산함에 있어 우수한 품질뿐만 아니라 양산성까지 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 냉음극 형광램프의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 2는 본 발명에 의한 일실시예에 따른 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법에 있어 탈지스케줄을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 일실시예에 따른 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법에 있어 소결스케줄을 도시한 것이다.

Claims (13)

1. 텅스텐을 이용한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법에 있어서,

   텅스텐과 니켈을 포함하는 금속분말과 열가소성 바인더를 혼련하여 사출성형용 피드스탁을 생성하는 혼련단계와;

   상기 피드스탁을 사출성형기에 주입하여 사출성형하는 사출성형단계와;

   상기 사출성형단계에서 생성된 사출성형 결과물에서 열가소성 바인더를 제거하기 위한 탈지단계와;

   상기 열가소성 바인더를 제거한 결과물의 고밀도화를 위한 소결단계를 포함하여 구성되되,

   상기 금속분말의 중량에 대해, 상기 텅스텐은 90~99.5 중량부 및 상기 니켈은 0.5~10 중량부가 포함되고,

   상기 혼련단계에서 혼련온도는 120~180℃이고 혼련시간은 1~4시간(hr)이며,

   상기 사출성형단계에서 사출속도는 20~40mm/s이고 사출압력은 1000~2300kgf이며,

   상기 탈지단계는 열분해 방법에 의해 이루어지되 500~900℃ 범위의 최고온도조건을 1~4시간(hr) 동안 유지시키는 공정을 포함하고,

   상기 소결단계는 1300~1550℃ 범위의 소결 최고온도조건을 0.5~4시간(hr) 동안 유지시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 텅스텐을 이용한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 열가소성 바인더는 왁스계 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 텅스텐을 이용한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 열가소성 바인더는 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM) 또는 폴리에틸렌(polyethylene, PE)를 포함하는 고분자재료를 더 포함하되, 상기 고분자재료는 상기 열가소성 바인더의 부피를 기준으로 하여 30~40 부피% 포함되는 것을 특징으로 하는 텅스텐을 이용한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 금속분말은 상기 피드스탁의 부피를 기준으로 45~55부피%의 비율로 혼련되는 것을 특징으로 하는 텅스텐을 이용한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 금속분말에 포함된 텅스텐분말의 분말입경은 0.1~5㎛이고 탭밀도는 3~7g/cc인 것을 특징으로 하는 텅스텐을 이용한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 금속분말에 포함된 니켈분말의 평균분말입경은 0.1~10㎛이고 겉보기밀도는 0.1~1g/cc인 것을 특징으로 하는 텅스텐을 이용한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법.
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,

   상기 소결단계에 의하여 상기 냉음극 형광램프용 전극은 상대밀도 90~98%로 고밀도화되는 것을 특징으로 하는 텅스텐을 이용한 냉음극 형광램프용 전극의 제조방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제

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