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1 73 연구논문 미세용접된 BLU CCFL 전극의유리비딩열처리온도에따른접합부특성 김광수 *, 김상덕 * 권혁동 * * 순천향대학교신소재공학과 Characteristics of Microwelded BLU CCFL Electrode in Terms of Glass Beading Heat Treatment Temperature Gwangsoo Kim*,, Sangduck Kim* and Hyukdong Kwon* *Department of Display Materials Engineering, Soonchunhyang University, Asan , Korea Corresponding author : kgwangs@sch.ac.kr (Received April 7, 2009 ; Revised May 19, 2009 ; Accepted June 15, 2009) Abstract Characterization of the microweld CCFL electrode for the TFT-LCD backlight unit was carried out in terms of the glass beading heat treatment conditions. We evaluate the weld zone and parent metal of the microweld CCFL electrodes that were exposed to simulated glass beading heat treatment. The CCFL electrode was composed of the cup made with pure Ni, the pin made with pure Mo and the lead wire made with Ni-Mn alloy. Each part of the electrode was assembled together by micro spot welding process and then the assembled electrodes were exposed to simulated glass beading temperatures of 700, 750 and 800. The microstructures of the microweld CCFL electrode were observed by using optical microscope, scanning electron microscope and EDS. Micro-tensile and microhardness test were also carried out. The results indicated that the grain coarsening in the HAZs(heat affected zones) for both the cup-pin weld and pin-lead wire were exhibited and the grain coarsening of the HAZ for the cup and the lead wire was more obvious than the HAZ of the pin. The micro-tensile test revealed that the fracture occurred at the cup-pin weld zone for all test conditions. The fracture surface could be classified into two parts such as pin portion and cup portion including weld nugget. The failure was seemed to be initiated from the boundary between nugget and pin through the weld joint. The result of the microhardness measurement exhibited that the relatively low hardness value, about 105HV was recorded at the HAZ of the cup. This value was about 50% less than that of the original value of the cup. The reduction of the microhardness was considered as the cause of the grain coarsening due to welding process. It was also appeared that there was no change in electric resistance for the standard electrodes and heat treated electrodes. Key Words : BLU CCFL electrode, Spot-weld, Microstructure, Glass beading heat treatment 1. 서론 현재정보디스플레이산업분야에서급속도로확산되고있는 TFT-LCD 모니터는앞으로세계시장규모가 2012년까지 150조원이상으로예상되고있는중요한산 업분야중하나이다. LCD(Liquid Crystal Display) 는 PDP(Plasma Display Panel) 나 FED(Field Emission Display) 와는달리자체발광소자가없기때문에백라이트유닛 (BLU) 이라고하는발광소자를필요로한다. BLU는자체적으로 TFT-LCD 의한부품이면서또한그내부에많은부품으로구성되어있기때문에독자적 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 2009 年 8 月 417

2 74 김광수 김상덕 권혁동 인제품으로취급되고있다. BLU의부품중의핵심요소인광원으로는소형화가가능하고필라멘트가없는간단한구조의 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp) 이사용되고있다. CCFL은기존형광등직경의 1/10배로작고, 수명은 5배이상으로길며동시에휘도특성이 70% 이상좋으면서소비전략은 50% 정도밖에되지않는고효율에너지절감형광원으로서 TFT-LCD 에적합한조건을가지고있다. CCFL의구조는유리관속에형광물질이도포되어있고, 그양끝에는전극이밀봉되어있다 1-3). 램프내부에는보통 2~10mg 정도의 Hg, Ar, Ne 등의혼합가스가충전되어있다. 유리관양단의전극에전압을인가하면생성된전기장에의하여전자가가속되는데가속된전자가 Hg을여기시키게되고이때 185nm와 253.7nm의자외선이발생하며이중에서 253.7nm 의자외선이형광체를여기하여가시광선으로전환, 방사하게된다 4). CCFL의효율을결정하는것은봉입가스와전극에의존하게된다. 전극재료로는 Mo, W, Nb, Ni, Kovar 등이사용되는데, 전극의형태는튜브형태의컵 (cup) 과솔리드 (solid) 바형태의핀 (pin) 그리고리드와이어 (lead wire) 로구성된다. 휘도향상을위해방전표면적을증대시킨컵의재료로는 Mo, Nb, Ni 합금이사용되고유리와의밀봉을위하여유리관과직접맞닿는핀은유리와열팽창계수가유사한 Mo, Kovar 합금을사용한다. 또한리드와이어로는가공이쉽고가격이저렴한 Ni이사용된다. 한편핀에는외부유리관과의접합을위하여 1차적으로유리비딩 (glass beading) 처리를해주어야한다. 이와같이 BLU 전극을위해서는여러소재가필요하고, 전극완성을위해서는서로다른재료들의용접에의하게되는데, 전극을구성하기위한미세용접부의신뢰성은궁극적으로 CCFL의직접적인수명을결정하기때문에매우중요하다. 전극미세용접부의신뢰성은두가지관점에서고려될수있는데, 1차적으로는전극기본소재들간에결합된미세용접부특성과후속적으로는미세용접된전극과유리관과의결합을위해이루어지는유리비딩처리를경험한후의전극특성으로구분되어진다. 연구진은본연구에앞서기본소재를미세용접하여만들어진전극자체의특성을조사한바있다 5). 이어본논문에서는미세용접으로만들어진전극에대하여행하게될유리비딩열처리의적정조건을결정하기위해임의로설정된세가지온도를선택하여열처리를실시하였다. 이와같이유리비딩열처리를경험한미세용접된전극에대하여모재부, 용접접합부의미세조직관찰과함께경도시험및인장시험등을실시하여전극의유리비딩처리에따른전극용접부의특성을평가하였다. PC 2. 실험방법및재료 연구에서사용된 CCFL전극의규격은두께가 0.2mm 이고, 직경이 1.7mm 의컵, 0.8mm 의핀, 그리고 0.6mm 의리드와이어였다. 컵은 100% Ni, 핀은 100% Mo, 리드와이어는 Ni-2%Mn합금으로구성된전극을사용하였다. 전극을구성하기위한소재간의용접은마이크로저항점용접을실시하였는데, 본논문에서는전극제조사 (B) 의요청으로부득이하게용접변수는나타내지못하였고, 대신에간단한용접사이클에대한개략도는 Fig. 1에나타냈다. 각소재간용접이완료된전극시편을대상으로가상의유리비딩열처리를하였다. 미세용접된전극의유리비딩열처리는실제제조시수소분위기에서실시하지만본연구에서는실험편의상진공상태에서열처리를실시하였는데, 전극의산화를방지하기위하여유리관에전극을삽입한후진공상태로유리관을밀봉하여비딩열처리를실시하였다. 진공상태로준비된유리관은 70 0, 750, 800 에서유지된전기로를이용하여열처리하였다. 이때로의상승온도는약 8 /min이며정점에서유지시간은 20분으로하였다. Photo 1은상용으로실제유리비딩처리된전극시편, 가상의비딩열처리된시편그리고기준시편의상태를보여준다. 가상비딩처리 (2) 를한전극의경우핀부위가약간검게산화된것같이보이는데완벽한진공유지가어려워약 MC SQZ PH MH PC(Pre-Current), MC(Main-Current), PH(Pre-Hour), MH(Main-Hour), US(Up-Slope), DS(Down-Slope), Squeeze US Fig. 1 Schematic of the welding cycle Photo 1 Photo of the microjoined electrodes 1 Commercially glass beading heat treated electrode 2 Simulated glass beading heat treated electrode 3 As micro- welded electrode DS 418 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 2009

3 미세용접된 BLU CCFL 전극의유리비딩열처리온도에따른접합부특성 75 (A) Base (B) 700 (A) Base (B) 700 Photo 2 (C) 750 (D) 800 Microstructures of the welded joint with pin and lead wire (C) 750 (D) 800 Photo 3 Microstructure of the pin and cup welded joint 간산화된모습을보이지만, 그정도는매우미약하였다. 이렇게열처리된시편에대하여모재부와용접부의미세조직을광학현미경, SEM 및 EDS를이용하여관찰하였으며, 열처리된시편들에대하여미세인장시험및미세경도시험을실시하였다. 또한비딩열처리된전극과기준전극에대하여각각저항을측정하여열처리조건에따른전기적특성변화도조사하였다. 미세인장시험은 Microload Tester Nexcade 장비를이용하였으며, 경도측정은 Micro Vickers Hard- ness Tester, HM-112를사용하여측정하였다. Keithley 2400 source meter 를이용하여전극의저항특성을측정하였다. 3. 실험결과및고찰 Photo 3은기준시편과유리비딩열처리후관찰한전극의핀과리드와이어그리고용접접합부의미세조직을보여준다. Photo 3(A) 에서용접부는저항용접시적용압력에의해융점이낮은리드와이이어가일부용해되어핀을감싸는형태의용접너겟을형성하고있었다. 리드와이어의열영향부에서는용접시발생된열에의한결정립조대화가발생하였으나핀의경우에는결정립변화가관찰되지않았고, 제조시연신된 texture 조직을보여주었다. Photo 3(B), (C), (D) 는 700, 75 0, 800 열처리한전극의열영향부를보여주는데기준시편의열영향부에서얻어진미세조직의결정립과비교할때큰변화를나타내지않았다. 한편핀과리드와이어간의용접경계부는일반적인용융용접에서와는달리선명한경계부를나타내고있었다. EDS를이용하여용접경계부를화학분석한결과 Table 1 Results of the EDS analyses at the lead wire-pin weld nugget Mo Ni 에서도경계부에서모재원소간의확산현상은전혀확인되지않았다. 반면에핀을감싸면서외부에형성된너겟부에서는핀과와이어간의용융혼합이이루어진것을확인할수있었고, Table 1는너겟부에서 EDS 분석한결과를보여주는데, 열처리온도가증가하면서너겟에서검출되는 Ni의양이증가하는것으로나타났다. 핀과컵의용접접합부미세조직을 Photo 3에나타냈다. 핀과컵의접합부형태또한리드와이어와핀의접합부와같이저항용접시적용하는압력에의해컵이핀에의해눌린형태를보여준다. Photo. 3(A)~(D) 에서컵의열영향부도용접열에의해결정립의조대화가나타났으며, 비딩열처리후에는핀과리드와이어의용접부에서관찰된것과같이열처리온도증가에따라컵의열영향부에서결정립조대화가더욱확대된것을확인할수있었다. 반면에마찬가지로핀에서의미세조직변화는관찰되지않았다. 핀과컵의용접부에서도핀과리드와이어에서와같이모재간합금원소의교환이없는물리적인부착형태의접합부를이루고있음을 EDS 결과로부터확인할수있었다. 이러한단순부착형태의용접부는열처리를경험한시편에서도변화가없었다. 대신에용접부에만들어진너겟부에서는핀과컵간의용융혼합 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 2009 年 8 月 419

4 76 김광수 김상덕 권혁동 Table 2 Results of the EDS analyses at the cup-pin weld nugget Mo Ni Photo 4 SEM microstructure of the weld boundary and the nugget between pin and cup weld joint 에의해다른종류의중간상을만드는것으로나타났다. Table 2 는컵과핀의너겟부에서 EDS 한결과를보여 주는데기준시편에서는 Ni 과 Mo 의혼합상이관찰되었 다. 700 에서열처리한시편경우에는 Ni 3 Mo 형태의 금속간화합물이나타났고, 열처리온도가증가함에따라 Ni 함량이증가하면서 800 에서는 Ni 4 Mo 형태의금속 간화합물이형성된것으로확인할수있었다. Photo 4 는핀과컵간의접합부와너겟부를주사전자 현미경으로관찰된미세조직을나타냈다. 용접부는선명 한경계를나타내고있었고너겟부에서는용접시용융응고에의해형성된수지상을관찰할수있었다. 미세조직관찰에이어용접부의기계적성질을평가하기위하여접합된전극에대하여미세인장시험을실시하였다. Table 3은인장시험결과를나타냈다. 기준시편및열처리시편모두에서파단은핀과컵의접합부에서일어났다. 각시편에대하여파단시측정된최대하중을파단면의면적으로나누어인장강도를계산하여야하지만파 Table 3 Results of the microtensile test 값을최대인장값으로나타냈다. 인장강도값은큰차이를나타내지않았지만기준시편이열처리시편들에비하여조금높은값을보였다. 700 에서열처리한시편이 15.3Mpa 로가장낮은값을나타내었고 750, 80 0 열처리시편은각각 16.7, 16.9Mpa 로유사한값이측정되었다. Photo 5(A)~(D) 는기준시편과 700 에서열처리한시편의파단부를 SEM으로관찰한것이다. Photo. 5(B) 와 (D) 는 Photo 5(A) 와 (C) 에서 으로표시된부분을확대하여관찰한것이다. 기준시편 (Photo. 5(A),(B)) 과열처리시편 (Photo 5(C),(D)) 들모두에서컵의바닥면접합부가핀에부착된상태로유실되면서파단이일어났다. 이는컵과핀이맞닫는바닥면에서물리적부착형태의결합이이루어졌지만건전한결합상태를유지하였음을보여준다. 파단의원인을알아보기위해파단면에대하여 SEM과 EDS를이용하여조사하였다. 파단부는컵의바닥면을포함하는핀부와너겟부를포함하는컵부분으로나누어볼수있었고, 파단은너겟부와핀사이에서시작하여컵의용접접합부로진행된것으로나타났다. 이때컵의용접부에서는용접열에의하여발생한결정립조대화로인한연화된조직을포함하고있어균열전파가용이하였을것으로판단된다. 너겟을포함하는컵부에서의파면에는길이방향의섬유질같은형상 (Photo. 5(B) 의 ) 이밝은색부분으로관찰되는데이부분에서는 EDS 결과 Mo이대부분검출된것으로보아컵과용접되었던핀일부가그대로잔존하는것으로판단된다. 반면다른어두운부분에서는다량의 Ni과 Mo이검출되었다. 이와는달리 700 에서처리된시편 (A) (B) As welded electrode Elongation(%) Tensile Load(kgf) Tensile Strength(Mpa) Number of microcrack 단면의면적을정확히고려하기어려워모든시편에대 하여일정하게핀의접합전면적으로나누어계산된 (C) (D) 700 heat treated electrode Photo 5 Fracture surface of the cup 420 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 2009

5 미세용접된 BLU CCFL 전극의유리비딩열처리온도에따른접합부특성 77 에서는기준전극과비교할때너겟을포함하는컵부에서발견되었던섬유질형상은나타나지않은대신작은입자형태밝은색부분 (Photo 5(D) 의 부분 ) 을확인할수있었다. EDS 결과역시이부분에서는 Mo만이검출되었고, 어두운부분에서는기준시편과마찬가지로 Table 2에서나타낸바와같이 Ni과 Mo이다량검출되었고확인결과 700 에서는 Ni 3Mo이 800 에서는 Ni 4Mo형의금속간화합물이확인되었다. 또한파면에는축외부에서발생하여내부로진전하는다수의미세균열이열처리된시험편에서쉽게확인할수있었다.(Photo 5(D) 의 ) 이와같은결과를토대로핀과컵의용접부는비딩열처리를하는동안형성된너겟부의취약한금속간화합물과용접부에서발생한너겟부와핀과의열팽창계수차이로인한용접부에서의응력불균형으로인해균열이발생하였고계면부의이러한미소균열들의존재가기준시편에비하여비록작은차이지만낮은강도에서파단된것으로사료된다. Table 3에는인장시험결과와함께파단면에서관찰된미세균열의수를단순히정량적으로나타냈는데, 700 열처리된시편에서가장많은수의횡균열과원주균열을확인할수있었다. 미세경도측정을통해미세조직및인장시험관의연관성을찾기위하여미세경도시험을실시하였다. Table 3은기준전극과비딩열처리된전극의모재와용접부에서측정된경도값의결과를나타냈다. 경도값이가장높은곳은핀으로기준전극의경우약 268HV 를나타냈고열처리한전극의경우핀의경도값은열처리온도에무관하게약 252HV로기록되었다. 기준전극에비해조금낮은값을나타냈지만용접부중다른부위와비교할때작은변화로간주할수있었다. 경도가가장낮은곳은핀의접합부중컵의열영향부로약평균 105HV으로나타났다. 이값은컵자체경도에비하여약 50% 나감소한것인데, 용접시발생한열에의하여기인된결정립조대화에의한연화현상으로판단된다. 한편열처리한컵의경우에도모재자체에비하여 47% 정도감소한, 평균약 113HV를나타냈다. 열처리로인하여컵의용접열영향부경도값도약간감소하였지만열처리된모재자체에비하여는그감소폭은크지않게나타났다. 한편 Table 4에서나타낸바와같이가장낮은경도값은실제열처리된리드와이어에서기록되었지만, 낮은경도값에무관하게인장시험시파단에는영향이없는것으로나타났다. 연구의마지막단계로비딩열처리를한후의전극본래의전기적인특성변화를관찰하기위하여전극저항 Table 4 Result of microhardness measurement for the electrode Wire Pin Cup P-W joint HAZ of Wire C-P joint HAZ of Cup Table 5 Result of the measurement of the resistance As-weld Resistance 을측정하였다. Table 5는각조건 10mA의전류를적용하여발생되는저항을측정한것인데기준전극과열처리전극에대하여큰차이를나타내지않는것으로확인되었다. 4. 결론 BLU CCFL 전극의가상비딩열처리에따른전극의용접부특성을알아보기위해 700, 750, 800 에서열처리를실시하였고미세조직, 인장시험, 경도시험을통하여다음과같은결론을얻었다. 1) 전극의미세용접부는저항용접시적용압력으로인하여컵과리드와이어가 Mo으로만들어진핀에의해눌린형태의용접너겟을만들었으며, 컵과핀, 리드와이어와핀간의용접부에서컵과와이어의열영향부미세조직은용접열과유리비딩열처리에의해결정립조대화가현저하게나타났다. 반면에핀의미세조직에는변화가없었다. 2) 전극의인장시험결과기준시편과비딩열처리시편모두너겟을포함한컵의용접부와핀이분리된상태로파단이일어났다. SEM과 EDS 결과컵의너겟부는용융결합을하고있음을알수있었다. 반면에핀과컵그리고핀과와이어간의접합경계면에서는원소의확산이동을확인할수없었다. 3) 열처리된시편에서핀과컵의파단용접부에서는 Ni과 Mo이다량인 Ni 3Mo와 Ni 4Mo형의금속간화합물을확인할수있었다. 또한파면에는축외부에서발생하여내부로진전된다수의미세균열이계면에서발견되었다. 핀과컵의용접부에서의파단은열처리를하는동안형성된너겟부의금속간화합물과너겟부와핀과의열팽창계수차이로인한응력불균형으로인해발생 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 2009 年 8 月 421

6 78 김광수 김상덕 권혁동 한다수의미세균열이주요원인인것으로사료된다. 4) 미세조직과기계적성질평가결과전극비딩열처 리는 750 이상에서하는것이효과적일것으로판단된 다. 저항을근거로한전극의특성변화는열처리온도에 영향을받지않는것으로나타났다. 참고문헌 1. H. Hun, CCFL of Technology and Trends, 1st, Electronic Parts & Components, 2007, 48 (in Korean) 2. S. J. Ahn, H. S. Kim, Y. C. Kim, S. J. Ahn, Display Optics, Bookshill, 2006, 255 (in Korean) 3. DeaKwang industry, Products, Electrode of CCFL & Materal of Eletrode, Retrieved August 6, 2008 ( 4. Xiamen Fu Zheng Metal Industries, Products, Electrode of Cold Cathode, Production control of Electrode, Retrieved August 21, Ryota Kitamoto, Tadao Uetsukil, Yuji Takeda and Osamu Fukumasa, Proceeding of Annual Conference of The Illuminating Engineering Institute of Japan, Influence of the Electrode Materials on the Characteristics of the Cold Cathode Fluorescent Lamp, 38 (2005.7) Kenneth Eastering, Introduction to the Physical Metallurgy of Welding, M. Ashby FRS, R. Kiessling, J. Charles, H. Suzuki, A. G. Evans, I. Tamura, M. C. Flemings, G. Thomas, R. I. Jaffee, Butterworths, London, 1983, Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 2009