KR101148064B1 - 알루미늄 판재, 압출재를 이용한 디스플레이용 프레임 제조방법 - Google Patents

알루미늄 판재, 압출재를 이용한 디스플레이용 프레임 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 판재, 압출재를 이용한 디스플레이용 프레임 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄 합금 판재 또는 압출재를 프레스 가공하여 단면 형상이 'ㄱ', 'ㄷ', '○', '△' 또는 'ㅁ'인 스틱형 기본프레임을 제조하는 단계;와, 상기 스틱형 기본프레임의 4지점을 굽힘각(θ) 90°로 굽힘(bending) 처리하여 '
Figure 112011068295028-pat00009
'형상의 주프레임을 제조하는 벤딩 단계;와, 상기 주프레임의 이격 구간에 '
Figure 112011068295028-pat00010
'형상의 스틱형 기본프레임을 맞대기 이음을 한 후, 상기 주프레임과 스틱형 기본프레임의 맞대기 이음 지점을 마찰교반용접(FSW)에 의해 접합하는 단계;와, 접합과정에서 발생한 용접 버(Burr)를 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 알루미늄 판재, 압출재를 이용한 디스플레이용 프레임 제조방법에 관한 것이다.

Description

알루미늄 판재, 압출재를 이용한 디스플레이용 프레임 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING OF FRAME FOR DISPLAY USING ALUMINUM PLATE AND EXTRUDED MATERIAL}
본 발명은 LCD, LED, OLED 패널, PDP 디스플레이 패널의 보강을 위한 사각틀 형상의 금속 프레임 제조에 관한 것으로서, 인장 강도가 높은 알루미늄 판재, 압출재를 이용하여, 마찰교반용접(FSW) 또는 브라켓에 의한 결합방식을 사용하여 이루어지는 디스플레이용 프레임 제조방법에 관한 것이다.
우주 항공산업, 선박, 자동차 등의 여러 공업, 산업분야에서 구조물의 경량화 및 경제성을 목적으로 경합금인 Al합금의 비강도, 리사이클링 등을 고려한 연구가 많이 수행되어 지고 있다. 이러한 Al합금 구조물의 접합법이 꾸준히 연구 개발되고 있는 가운데 아크열을 이용한 Fusion Welding이 행하여 졌으나, 많은 결함이 발생하고, 좋은 접합부를 얻기가 어려워 1991년 영국 TWI(The Welding Institute)에서 Al합금에 대한 신개념의 용접법인 Friction Stir Welding(이하, FSW)이 개발되었다. 이 접합법은 높은 품질 및 경제성을 가진 고상 상태(Solid State)의 접합이다.
상기 마찰교반용접(FSW)은 고상접합이므로, 용접접합에서 생길 수 있는 균열(응고 균열)을 방지할 수 있고, 변형이 거의 없어 기계적 성질이 우수하며, 용접재료가 필요없는 접합법으로서 시편과의 마찰에 의해서 접합이 이루어진다. 또한 환경친화적 공법으로서, 접합 중 Fume 발생이 없고, 적외선, 자외선들의 유해광선이 발생하지 않는다는 장점이 있어, Al합금과 같이 용융용접이 어려운 재료에 적용이 용이하다.
기존의 디스플레이용 프레임의 경우 디스플레이 신기술이 지속적으로 개발됨에 따라 경량성이 요구되고 있으며, 이에 맞춰 디스플레이용 프레임 또한 경량성을 높여야 하나 대부분은 이와 같은 요구를 충족시키지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 경량성을 높임과 동시에 강도가 높은 디스플레이용 프레임의 공급이 요구되고 있다.
본 발명과 관련한 종래기술로는 대한민국등록특허 10-0832241(등록일자 2008년 05월 20일)가 있으나, 상기 등록특허의 경우에는 본 발명에서 요구되고 있는 강도증진의 목적을 달성하기 어렵고, 또한 마찰교반용접에 의한 인장 강도가 떨어질 수 있으며, 내부식성에 대한 별도의 구성이 없어 본 발명에서 이루고자하는 목적을 달성하기 어렵다는 문제가 있다.
대한민국등록특허 10-0832241(등록일자 2008년05월20일)
상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 알루미늄 합금 판재 또는 압출재를 벤딩처리하여 이음 지점을 마찰교반용접(FSW) 또는 브라켓을 이용한 결합방식에 의해 접합함으로써, 제작이 간단하고 높은 경량성을 갖는 디스플레이용 프레임의 제조방법을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 알루미늄 합금 판재 또는 압출재를 프레스 가공하여 단면 형상이 'ㄱ', 'ㄷ', '○', '△' 또는 'ㅁ'인 스틱형 기본프레임을 제조하는 단계;와,
상기 스틱형 기본프레임의 4지점을 굽힘각(θ) 90°로 굽힘(bending) 처리하여 '
Figure 112011068295028-pat00001
'형상의 주프레임을 제조하는 벤딩 단계;와,
상기 주프레임의 이격 구간에 '
Figure 112011068295028-pat00002
'형상의 스틱형 기본프레임을 맞대기 이음을 한 후, 상기 주프레임과 스틱형 기본프레임의 맞대기 이음 지점을 마찰교반용접(FSW)에 의해 접합하는 단계;와,
접합과정에서 발생한 용접 버(Burr)를 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 알루미늄 판재, 압출재를 이용한 디스플레이용 프레임 제조방법을 주요 기술적 구성으로 한다.
그리고 상기 알루미늄 합금 판재는 2000번 계열의 Al-Cu계 합금, 3000번 계열의 Al-Mn계 합금, 4000번 계열의 Al-Si계 합금, 5000번 계열의 Al-Mg계 합금, 6000번 계열의 Al-Mg-Si계 합금, 7000번 계열의 Al-Zn-Mg계 알루미늄 합금 중 선택되는 어느 1종 이상의 알루미늄 합금을 상온에서 압하율 10 ~ 30%로 하여 냉간압연을 한 후, 500 ~ 550℃에서 3 ~ 4 시간 동안 열처리를 하되, 상기 냉간압연과 열처리를 4 ~ 5회 반복처리하여 제조된 두께 0.8 ~ 3.0mm 범위의 판재이고,
상기 알루미늄 합금 압출재는 2000번 계열의 Al-Cu계 합금, 3000번 계열의 Al-Mn계 합금, 4000번 계열의 Al-Si계 합금, 5000번 계열의 Al-Mg계 합금, 6000번 계열의 Al-Mg-Si계 합금, 7000번 계열의 Al-Zn-Mg계 알루미늄 합금 중 선택되는 어느 1종 이상의 알루미늄 합금 빌렛을 150 ~ 250℃에서 1 ~ 20시간 동안 균질화 처리한 후, 압출온도 450 ~ 500℃, 압출압력 150 ~ 220Mpa, 압출속도 0.5 ~ 3.0mm/sec의 조건으로 압출한 두께 0.8 ~ 3.0mm 범위의 압출재임을 특징으로 한다.
또한, 상기 마찰교반용접(FSW)은 공구(tool)가 중심축으로부터 2.5°로 기울어진 경사각을 유지한 상태에서, 이음 선을 따라 회전속도를 1,600 ~ 2,380rpm으로 하여 300 ~ 600mm/min의 이송속도로 이동하면서 상기 공구의 솔더과 주프레임, 스틱형 기본프레임 사이에 마찰열을 발생시켜 재질의 소성유동을 발생시켜 주프레임과 스틱형 기본프레임을 접합시키는 것임을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 디스플레이용 프레임은 제작이 간단하여 제작비용 및 제작기간의 단축에 따른 생산성 향상을 기대할 수 있고, 또한 마찰교반용접(FSW)에 의한 프레임의 접합을 이룸으로써 경량특성과 높은 내구성을 갖는 디스플레이용 프레임을 제공할 수 있다는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 판재, 압출재를 이용한 디스플레이용 프레임의 제조과정에 따른 순서도.
도 2는 마찰교반용접(FSW) 공정의 진행순서를 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 마찰교반용접(FSW)의 공구(tool)를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 디스플레이용 프레임을 도시한 사시도.
상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 도면과 함께 살펴보고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 판재, 압출재를 이용한 디스플레이용 프레임의 제조과정에 따른 순서도로서, 알루미늄 합금 압출재를 프레스 가공하여 단면 형상이 'ㄱ', 'ㄷ' 또는 'ㅁ'인 스틱형 기본프레임(10a)을 제조하는 단계;와,
상기 스틱형 기본프레임의 4지점을 굽힘각(θ) 90°로 굽힘(bending) 처리하여 '
Figure 112011068295028-pat00003
'형상의 주프레임(10b)을 제조하는 벤딩 단계;와,
상기 주프레임(10b)의 이격 구간에 '
Figure 112011068295028-pat00004
'형상의 스틱형 기본프레임(10a)을 맞대기 이음을 한 후, 상기 주프레임(10b)과 스틱형 기본프레임(10a)의 맞대기 이음 지점을 마찰교반용접(FSW) 또는 브라켓을 이용한 고정방식에 의해 접합하는 단계;를 거쳐 제조된다.
그리고, 상기 접합과정이 마찰교반용접(FSW)에 의할 경우에는 용접 과정에서 발생한 용접 버(Burr)를 제거하는 단계를 더 포함하게 된다.
이하, 각 단계별 기술 구성에 대해 살펴보면 다음과 같다.
기본프레임 제조단계
본 단계는 알루미늄 판재 또는 압출재를 프레스 가공하여 디스플레이용 프레임을 이루는 스틱형 기본 프레임 제조단계이다.
상기 알루미늄 합금은 2000번 계열의 Al-Cu계 합금, 3000번 계열의 Al-Mn계 합금, 4000번 계열의 Al-Si계 합금, 5000번 계열의 Al-Mg계 합금, 6000번 계열의 Al-Mg-Si계 합금, 7000번 계열의 Al-Zn-Mg계 알루미늄 합금 중 선택되는 어느 1종 이상의 알루미늄 합금을 사용하게 되며, 더욱 바람직하게는 6000번 계열의 Al-Mg-Si계 합금을 사용한다.
상기 알루미늄 합금을 이용한 판재는 알루미늄 합금을 상온에서 압하율 10 ~ 30%로 하여 냉간압연을 한 후, 500 ~ 550℃에서 3 ~ 4 시간 동안 열처리를 하되, 상기 냉간압연과 열처리를 4 ~ 5회 반복처리하여 제조된 두께 0.8 ~ 3.0mm 범위의 판재이며,
상기 알루미늄 합금을 이용한 압출재는 알루미늄 합금 빌렛을 150 ~ 250℃에서 1 ~ 20시간 동안 균질화 처리한 후, 압출온도 450 ~ 500℃, 압출압력 150 ~ 220Mpa, 압출속도 0.5 ~ 3.0mm/sec의 조건으로 압출한 두께 0.8 ~ 3.0mm 범위의 압출재이다.
벤딩 ( bending ) 단계
본 단계는 2분할의 스틱형 기본프레임(10a)과 주프레임(10b)을 마찰교반용접(FSW)에 의하거나 또는 브라켓을 이용한 결합방식에 의해 일체화시켜 완전한 디스플레이용 프레임을 제작하기 위한 전단계로서,
기본 프레임 중 하나는 굽힘 처리과정을 거치게 되고, 다른 하나는 굽힘 처리된 프레임의 이격 부분을 용접 또는 브라켓을 통해 연결시켜 줌으로써 디스플레이용 프레임이 액자형으로 완전히 닫혀 일체화되도록 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 주프레임(10b)은 기본프레임(10a)의 변형된 형태로서, 여기에서 변형된 형태라 함은 도 2에 도시된 바와 같이, 기본프레임(10a)이 굽힘 처리된 상태를 말한다.
즉, 상기 주프레임(10b)은 기본프레임(10a)을 굽힘(bending) 처리하되, 기본프레임(10a)의 4 지점을 굽힘(bending) 처리하고, 그 굽힘 각(θ) 90°로 하여 이루어지는 액자형의 사각 틀 또는 원형, 삼각형 틀을 이루도록 한다.
상기 사각 틀을 실시예로 하여 살펴보면, 상기 기본프레임(10a)의 4 지점을 굽힘(bending) 처리하게 되면, '
Figure 112011068295028-pat00005
'형상의 주프레임(10b)이 이루어지게 되며, 이때 주프레임(10b)의 양 말단은 상호 연결되지 않아 이격된 상태이다.
그리고 상기 이격된 공간으로 '
Figure 112011068295028-pat00006
'형상의 스틱형 기본프레임(10a)을 위치시킴으로써 기본프레임(10a)과 주프레임(10b)의 맞대기 이음이 이루어진다.
접합 단계
상기 벤딩 단계에서의 주프레임(10b)의 양 말단은 서로 떨어져 있는 상태이기 때문에 서로 떨어져 있는 양 말단을 연결시켜 주어야 완전한 디스플레이용 프레임(1)을 구성하게 된다.
따라서, 2 분할 상태의 굽힘 처리된 주프레임(10b)과 굽힘 처리되지 않은 스틱형 기본프레임(10a)을 상호 양 말단 면이 서로 맞닿을 수 있도록 맞대기 한 후에, 상기 맞대기 틈새를 따라 마찰교반용접(FSW)을 하거나 또는 브라켓을 이용하여 접합을 하게 된다.
상기 마찰교반용접(FSW)의 기본 개념은 매우 단순하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 핀(pin)이 장착된 공구(tool)가 회전하면서(도 2의 (a)) 모재의 맞대기 틈새로 삽입되고(도 2의 (b),(c)), 용접선을 따라 움직인다(도 2의 (d)). 이때 상기 공구의 숄더(shoulder)부는 일정 온도(200 ~ 300℃)로 예열되어 있으므로 숄더부와 접촉하는 지점에서 모재를 국부적으로 가열시키게 된다. 그리고, 모재의 맞대기 틈새로 삽입된 회전하는 핀에 의해 모재와 핀 사이에 마찰열이 발생하게 되기 때문에 모재의 재질이 연화된다. 공구가 이동함에 따라 연화된 재질내부에 소성유동이 발생하게 되고, 서로 혼합되면서 결국 접합이 이루어지는 것이다.
상기 마찰교반용접은 재질의 유동과 소성 변형을 포함한 복잡한 열-기계적 과정(thermo-mechanicalprocess)을 거치게 되는 것으로써, 상기 용접부의 품질 특성에 영향을 미치는 가공변수로는 크게 공구 형상(toolgeometry)과 용접 조건(welding condition)으로 분류 가능하며, 보다 구체적으로는 용접 공구의 이송 속도(weldingspeed), 회전 속도(rotationalspeed), 누름압(vertical pressure), 핀의 경사각(tilting angle), 삽입 깊이(insertion depth) 및 공구 형상(toolgeometry)이 용접부의 기계적 특성에 영향을 미치게 된다.
본 발명에 따른 마찰교반용접은 도 3의(a), (b)에 도시된 바와 같이, 핀(pin)(102)이 없는 것(a)과 핀(pin)(102)이 있는 것(b)으로 구분된다.
상기 핀(pin)(102)의 유무는 알루미늄 합금이 판재 또는 압출재의 사용에 따라 결정되고, 또한 판재 또는 압출재의 두께가 얼마인가에 따라 결정된다.
즉, 알루미늄 합금 판재를 사용하거나 또는 두께가 0.8mm ~ 1mm 범위 내인 경우에는 핀(pin)(102)을 사용하지 않고,
알루미늄 합금 압출재를 사용하거나 또는 두께가 1mm 이상인 경우에는 핀(pin)(102)을 사용한다.
도 3의 (a)에 도시된 공구(tool)(100)의 솔더(shoulder)(101)는 직경이 13.5mm(d1)이고, (b)에 도시된 공구(tool)(100)의 솔더(shoulder)(101)는 직경이 13.5mm(d1)이고, 핀(pin)(102)의 직경을 4.5mm(d2)로써 d1/d2의 값이 3이며, 상기 핀(102)은 길이(L) 2.7mm인 것을 사용한다.
상기 공구(tool)(1)을 이용한 마찰교반용접(FSW)은 공구(tool)(1)가 중심축으로부터 2.5°로 기울어진 경사각을 유지한 상태에서, 상기 공구(tool)(1)의 솔더(shoulder)(101) 또는 핀(pin)(102)을 주프레임(10b)과 스틱형 기본프레임(10a)의 맞대기 이음 지점에서, 이음 선을 따라 회전속도를 1,600 ~ 2,380rpm으로 하여 300 ~ 600mm/min의 이송속도로 이동하면서 상기 솔더(shoulder)(101) 또는 핀(102)과 주프레임(10b), 스틱형 기본프레임(10a) 사이에 마찰열을 발생시켜 재질의 소성유동을 발생시켜 주프레임(10b)과 스틱형 기본프레임(10a)을 접합하게 된다.
그리고, 상기 접합은 마찰교반용접에 의한 방식 외에 브라켓을 이용한 방식이 있으며, 이와 같은 브라켓을 이용하는 경우에는 특별히 브라켓의 형태, 재질 등에 큰 제한을 두지는 않으나, 경량성 등을 고려하여 합성수지 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
용접 버( Burr ) 제거단계
상기 접합단계에서 마찰교반용접(FSW)에 의한 접합이 이루어진 경우에는, 디스플레이용 프레임이 완성된 후에 용접부에 발생한 버(Burr)를 제거함으로써 디스플레이용 프레임의 제작이 마무리된다. 단 이때 용접 버(Burr) 제거과정은 용접품질에 영향을 미칠 수 있기 때문에 디스플레이용 프레임을 단단히 고정한 후 진행하여야 한다.
본 발명에 따른 디스플레이용 프레임 제조방법은 간단한 제작방법에 의한 생산성 향상과, 프레임에 적합한 용접방법을 통해 내구성이 높은 디스플레이용 프레임을 제공할 수 있어 산업상 이용가능성이 크다.
1: 디스플레이용 프레임
10a: 기본프레임
10b: 주프레임
100 : 공구(tool)
101: 솔더(shoulder)
102: 핀(pin)

Claims (5)

  1. 알루미늄 합금 판재 또는 압출재를 프레스 가공하여 단면 형상이 'ㄱ', 'ㄷ', '○', '△' 또는 'ㅁ'인 스틱형 기본프레임(10a)을 제조하는 단계;와,
    상기 스틱형 기본프레임(10a)의 4지점을 굽힘각(θ) 90°로 굽힘(bending) 처리하여 '
    Figure 112012025807403-pat00007
    '형상의 주프레임(10b)을 제조하는 벤딩 단계;와,
    상기 주프레임(10b)의 이격 구간에 '
    Figure 112012025807403-pat00008
    '형상의 스틱형 기본프레임(10a)을 맞대기 이음을 한 후, 상기 주프레임(10b)과 스틱형 기본프레임(10a)의 맞대기 이음 지점을 마찰교반용접(FSW)에 의해 접합하는 단계;와,
    접합과정에서 발생한 용접 버(Burr)를 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것에 있어서,
    마찰교반용접(FSW)은 공구(tool)(1)가 중심축으로부터 2.5°로 기울어진 경사각을 유지한 상태에서, 이음 선을 따라 회전속도를 1,600 ~ 2,380rpm으로 하여 300 ~ 600mm/min의 이송속도로 이동하면서 상기 공구(1)의 솔더(101)과 주프레임(10b), 스틱형 기본프레임(10a) 사이에 마찰열을 발생시켜 재질의 소성유동을 발생시켜 주프레임(10b)과 스틱형 기본프레임(10a)을 접합시키는 것임을 특징으로 하는 알루미늄 판재, 압출재를 이용한 디스플레이용 프레임 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    알루미늄 합금 판재는 2000번 계열의 Al-Cu계 합금, 3000번 계열의 Al-Mn계 합금, 4000번 계열의 Al-Si계 합금, 5000번 계열의 Al-Mg계 합금, 6000번 계열의 Al-Mg-Si계 합금, 7000번 계열의 Al-Zn-Mg계 알루미늄 합금 중 선택되는 어느 1종 이상의 알루미늄 합금을 상온에서 압하율 10 ~ 30%로 하여 냉간압연을 한 후, 500 ~ 550℃에서 3 ~ 4 시간 동안 열처리를 하되, 상기 냉간압연과 열처리를 4 ~ 5회 반복처리하여 제조된 두께 0.8 ~ 3.0mm 범위의 판재임을 특징으로 하는 알루미늄 판재, 압출재를 이용한 디스플레이용 프레임 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    알루미늄 합금 압출재는 2000번 계열의 Al-Cu계 합금, 3000번 계열의 Al-Mn계 합금, 4000번 계열의 Al-Si계 합금, 5000번 계열의 Al-Mg계 합금, 6000번 계열의 Al-Mg-Si계 합금, 7000번 계열의 Al-Zn-Mg계 알루미늄 합금 중 선택되는 어느 1종 이상의 알루미늄 합금 빌렛을 150 ~ 250℃에서 1 ~ 20시간 동안 균질화 처리한 후, 압출온도 450 ~ 500℃, 압출압력 150 ~ 220Mpa, 압출속도 0.5 ~ 3.0mm/sec의 조건으로 압출한 두께 0.8 ~ 3.0mm 범위의 압출재임을 특징으로 하는 알루미늄 판재, 압출재를 이용한 디스플레이용 프레임 제조방법.
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