납땜인두

1. 개요

납땜 인두는 금속 부품을 가열하여 납땜을 수행하는 도구로, 초기에는 화로에서 가열하는 방식이었으나, 19세기 말 전기 납땜 인두가 등장했다. 현재는 AC 전원, 배터리, 가스 방식 등 다양한 종류가 있으며, 용도에 따라 소비 전력과 팁의 모양이 다르다. 납땜 인두는 팁의 재료와 모양, 청소 방법, 거치대, 사용법 등 다양한 특징을 가지며, 정전기 방전에 주의해야 한다.

2. 역사

초기 납땜 인두는 구리 덩어리를 쇠 막대로 지지하고 나무 손잡이에 고정한 형태였다. 사용 전에는 불이나 숯 화로에서 가열해야 했고, 식으면 다시 가열해야 했다. 주로 양철공이나 구리 세공인이 얇은 판금 작업에 사용했다.

큰 구리 덩어리는 충분한 열 용량을 제공했지만, 구리 가격이 비싸 주철 블록에 작은 구리 팁을 부착한 인두가 개발되기도 했다. 일부는 교체 가능한 구리 팁을 사용했다.

19세기 말, 팁 자체를 가열하는 전기 납땜인두가 등장했다. 1894년, 미국의 아메리칸 전기 히터 컴퍼니(American Electrical Heater Company)가 전기 납땜인두를 대량 제조하기 시작했다. 1921년, 독일의 에른스트 작스(Ernst Sachs)는 아메리칸 전기 히터 컴퍼니의 인두와 유사한 전기 납땜인두를 개발했다.

1946년, 칼 E. 웰러(Carl E. Weller)는 즉시 가열이 가능한 납땜 건에 대한 특허를 출원하고 생산을 시작했다. 1960년, 웰러는 온도 감지 자성 팁을 사용한 "마그나스타트(Magnastat)" 납땜 인두에 대한 특허를 획득했다.

대한민국에서는 과거 숯불을 이용한 전통적인 방식이 사용되었으며, 일제강점기를 거치면서 전기 납땜인두가 도입되었다. 해방 이후 산업화 과정에서 전자 산업이 발전하면서 다양한 형태의 납땜인두가 사용되기 시작했다.

3. 종류

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납땜 인두는 전원 방식에 따라 AC 전원 방식, 배터리 방식, 가스 방식으로 나뉜다. 히터 종류에 따라 니크롬 히터, 세라믹 히터, 백금 촉매, 탄소봉 방식 등으로 나뉜다.

과거에는 불이나 숯 화로에서 구리 덩어리를 가열하여 사용하였으나, 1894년 미국의 아메리칸 전기 히터 컴퍼니(American Electrical Heater Company)가 전기 납땜 인두를 대량으로 제조하기 시작했다. 1921년 독일의 에른스트 작스(Ernst Sachs)는 전기 납땜 인두를 개발했다.

1946년 칼 E. 웰러(Carl E. Weller)는 즉시 가열이 가능한 납땜 건에 대한 특허를 출원하고 "스피디 아이언(Speedy Iron)" 생산을 시작했다. 1960년 웰러는 온도 감지 자성 팁을 사용하여 온도를 제어할 수 있는 "마그나스타트(Magnastat)" 납땜 인두에 대한 특허를 획득했다.

3.1. AC 전원 방식

저렴한 니크롬 히터(니크롬선)와, 발열이 빠른 세라믹 히터(텅스텐) 두 종류가 있다. 상위 제품에는 온도 조절 기능이 있다. 소비 전력은 약 10W에서 500W 정도이다. LSI 등의 정밀 전자 부품용(10~20W), 전기 배선용(30~60W), 금속 공예 및 판금 가공용(그 이상) 등으로 용도에 따라 구분된다. 누설전류 (누전) 및 정전기 방지를 위해 절연 및 접지 처리가 된 제품도 있다.

일반적인 단순한 납땜 인두는 전력 입력과 환경 및 접촉하는 재료에 의한 냉각에 따라 결정되는 열적 평형에 의해 온도가 결정된다. 인두는 섀시와 같은 큰 금속 덩어리와 접촉하면 온도가 떨어지는데, 작은 인두는 너무 많은 온도를 잃어 큰 연결을 납땜할 수 없다. 전자 제품에 사용되는 보다 진보된 인두는 온도 센서와 팁 온도를 일정하게 유지하기 위한 온도 제어 방식이 있는 메커니즘을 갖추고 있으며, 연결이 크면 더 많은 전력을 사용할 수 있다.

온도 제어에는 다양한 수단이 사용된다. 가장 간단한 것은 조광기와 유사한 가변 전력 제어 장치로, 자동으로 온도를 측정하거나 조절하지 않고 인두의 평형 온도를 변경한다. 다른 유형의 시스템은 종종 인두 팁 내부에 있는 서모스탯을 사용하며, 이 서모스탯은 자동으로 전원을 켜고 끈다. 열전대와 같은 열 센서는 전자 회로와 함께 사용하여 팁의 온도를 모니터링하고 가열 요소에 전달되는 전력을 조절하여 원하는 온도를 유지할 수 있다.

3.2. 배터리 방식

주로 세라믹 히터가 사용된다. 무선이다. 배터리 품질이나 잔량에 영향을 받기 쉽다. 발열은 빠르지만, 일반적으로 AC 전원 방식보다 최대 온도가 낮고, 인두 팁이 가늘고 열용량이 적은 경향이 있다. USB 전원 공급 타입도 비슷한 특성을 갖는다.

3.3. 가스 방식

백금 촉매가 사용되며, 무선이다. 외부 온도나 사용 가스 종류에 영향을 받기 쉽다. 가스 방출량을 조절하여 온도 조절이 가능하다. 가스 방출음이 있으며, 촉매에서 열풍이 나온다.

3.4. 기타

* 탄소봉 방식: 탄소봉에 고전류를 흘려 가열한다.

* 초음파 납땜인두: 초음파 진동자를 내장하여 대상 금속의 산화 피막을 제거할 수 있다. 이를 통해 산화 피막이 생기기 쉬운 알루미늄에도 납땜이 가능하다. 또한 금속뿐만 아니라 유리나 태양 전지와 같은 소재에도 사용 가능하다.

* 온도 조절 납땜인두: 온도 센서와 제어 회로를 통해 팁 온도를 일정하게 유지하는 메커니즘을 갖추고 있다. 연결이 크면 더 많은 전력을 사용할 수 있다. 전자 제품 납땜에 주로 사용된다.

* 납땜 스테이션: 온도 조절 기능이 있으며, 전원 공급 장치, 사용자가 온도를 조절하고 표시할 수 있는 제어 회로, 팁 온도 센서가 있는 납땜 인두 또는 납땜 헤드로 구성된다. 스테이션은 일반적으로 사용하지 않을 때 뜨거운 인두를 놓을 수 있는 스탠드와 세척을 위한 젖은 스폰지를 갖추고 있다.

* 납땜 족집게: 두 개의 가열된 팁을 가진 족집게 형태로, 소형 표면 실장 부품의 납땜 및 제거에 사용된다. 독립형이거나 납땜 스테이션에서 제어할 수 있다. 팁은 부품의 양쪽에 적용된다.

* 열칼 (Hot knife): 가열된 칼날을 이용하여 천이나 폼 재료를 올 풀림이나 비딩(beading) 현상 없이 절단하는 데 사용된다.

4. 인두 팁 (Tip)

납땜인두는 다양한 작업 유형에 따라 교체 가능한 팁을 사용한다. 일반적인 팁 모양으로는 베벨, 끌, 원뿔형 등이 있으며, 특수한 팁 모양으로는 오목형, 위킹 팁 등이 있다.

팁 재료로는 구리, 황동, 구리 심에 니켈 도금, 구리 심에 철 도금 등이 사용된다. 대형 납땜인두 팁은 주로 구리로 만들어지며, 전기 배선용 팁은 내식성 도금이 된 경우가 많다. 구리 팁은 산화 부식될 경우 줄로 깎아 기능을 회복할 수 있지만, 내식성 팁은 줄로 깎으면 표면처리가 손상되므로 물에 적신 스펀지 등으로 오염을 제거해야 한다.

과거에는 숯불 속에서 가열하는 구리 인두를 사용했는데, 숯불의 환원 분위기 덕분에 표면 산화 피막이 제거되어 양호한 표면을 유지할 수 있었다.

4.1. 인두 팁 재료

* 구리: 저렴하지만 부식에 약하여 정기적으로 줄로 깎아 팁을 다시 정형해야 한다.
* 황동: 극히 일부 제품에 사용된다. 아연 비율에 따라 다르지만, 일반적으로 구리보다 열전도율이 낮고 내식성은 비슷하다.
* 구리 심 + 니켈 도금: 구리보다 열전도율이 낮지만 내식성이 높다.
* 구리 심 + 철 도금: 니켈 도금보다 열전도율이 약간 낮고 비싸지만 내식성이 높다. 인두 팁 측면에 크롬 도금이나 알루미늄 용사를 하는 경우가 많다. (白光)와 (太洋電機産業)은 내구성이 구리 인두 팁의 10배 - 20배라고 한다.

4.2. 인두 팁 모양

납땜 인두 팁은 작업 유형과 부품의 접근성에 따라 다양한 크기와 모양으로 교체할 수 있다. 일반적인 팁 모양으로는 베벨, 끌, 원뿔형 등이 있으며, 오목면을 가진 스푼 또는 갈매기 날개형과 같은 특수한 형태도 있다.

판금 납땜에는 삼각형 평면을 가진 피라미드 팁이나 넓은 평면을 가진 끌 팁이 유용하다. 전자 작업에는 주로 가는 원뿔형 또는 테이퍼 끌 팁이 사용된다. 팁은 직선형, 구부러진 형, 또는 평면에 소량의 납땜을 담을 수 있는 오목한 공간이 있는 끌 면을 가진 오목형(위킹 팁)이 있다.

팁 선택은 작업 유형과 부품 접근성에 따라 달라진다. 예를 들어, 0.5mm 피치 표면 실장 IC 납땜은 넓은 영역에 대한 스루 홀 연결 납땜과 매우 다르다. 오목한 팁은 간격이 좁은 리드 사이의 브리징 현상을 방지하는 데 도움이 된다고 알려져 있으며, 브리징 발생 시 다른 모양의 팁으로 수정할 수 있다.

인두 팁 모양은 펜형, 칼형, 구부러진 팁, IC 덮개형 등 다양하며, 전기 배선용 인두 팁은 인쇄 회로 기판과 같이 미세한 접합 부분에 적합하도록 끝이 가늘게 제작되는 경우가 많다.

4.3. 인두 팁 청소

납땜 인두 팁이 산화되거나 탄 플럭스가 축적되면 납땜이 더 이상 팁에 젖지 않아 열 전달을 방해하고 납땜을 어렵게 하거나 불가능하게 만든다. 따라서 팁은 사용 중 주기적으로 청소해야 한다. 이러한 문제는 모든 종류의 납땜에서 발생하지만, 전자 작업에서 널리 사용되는 무연 납땜은 납을 함유한 납땜보다 더 높은 온도를 요구하므로 훨씬 더 심각하다. 노출된 철 도금이 산화될 수 있는데, 팁을 녹은 납땜으로 주석 도금하면 산화가 억제된다. 깨끗하고 산화되지 않은 팁은 약간의 납땜과 플럭스를 바르면 주석 도금할 수 있다.

납땜 장비와 함께 제공되는 젖은 작은 스펀지를 사용하여 팁을 닦을 수 있다. 무연 납땜의 경우, 황동 깎이로 좀 더 강하게 청소할 수 있다. 납땜 플럭스는 산화물을 제거하는 데 도움이 된다. 플럭스가 활성화될수록 청소가 더 잘 되지만, 회로 기판에 사용된 산성 플럭스를 조심스럽게 제거하지 않으면 부식이 발생할 수 있다. 청소했지만 다시 주석 도금하지 않은 팁은 산화에 취약하다.

납땜 인두 팁은 구리 코어에 철을 포함한 다양한 금속을 도금하여 만든다. 구리는 열 전달에 사용되고, 다른 도금은 내구성을 위해 사용된다. 구리는 매우 쉽게 부식되어 팁을 갉아먹으며, 특히 무연 납땜 작업에서 그렇다. 반면 철은 그렇지 않다. 팁 청소는 철 도금을 손상시키지 않고 산화물을 제거하여 구리가 급속한 부식에 노출되는 것을 방지해야 한다. 소량의 구리를 이미 포함하고 있는 납땜을 사용하면 구리 팁의 부식을 늦출 수 있다.

더 부드러운 방법으로 제거할 수 없는 심각한 산화의 경우, 산화물을 제거할 만큼 충분히 단단하지만 철 도금을 긁을 정도로 단단하지 않은 것으로 연마할 수 있다. 황동 와이어 수세미, 브러시 또는 벤치 그라인더의 휠을 주의해서 사용할 수 있다. 사포 및 기타 도구를 사용할 수 있지만 도금이 손상될 가능성이 높다.

5. 납땜 인두 거치대

납땜 인두 거치대는 인두를 가연성 물질로부터 멀리 떨어뜨려 놓으며, 종종 팁을 청소하기 위한 셀룰로스 스펀지와 플럭스 용기를 함께 제공한다. 전문가용으로 연속해서 사용하는 일부 납땜 인두는 납땜 스테이션의 일부로 제공되며, 이를 통해 팁의 정확한 온도를 조절하고, 일정하게 유지하며, 때로는 표시할 수 있다.

와이어를 사용한 간소하고 휴대성이 뛰어난 것부터 대형이고 안정성이 있는 거치형까지 다양하며, 청소용 스펀지가 부착된 경우가 많다.

납땜 인두를 지지하는 부분에는 내열 수지와 스테인리스강 등의 금속이 사용되며, 납땜 인두의 과열을 억제하는 방열판으로 기능한다.

6. 올바른 사용법

납땜 인두는 금속 부분이 히터로 섭씨 200도 이상으로 가열되기 때문에 잘못하여 손 등에 닿으면 화상을 입는다. 이 때문에, 납땜 중에는 반드시 손잡이 부분을 잡아야 한다.

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7. 정전기 방전 (ESD)

모든 납땜 인두가 정전기 방전(ESD)에 안전한 것은 아니다.

일부 제조업체의 전원 공급식 모델은 발열체 샤프트(따라서 팁)가 인두의 주 전원선을 통해 접지에 전기적으로 연결되도록 제작되었지만, 다른 모델의 팁은 추가 접지선을 사용하지 않으면 임의의 전압으로 부동될 수 있다.