KR101406417B1 - ０ｌｅｄ용 금속기판 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

Fe-Ni 합금기판의 일면에 산화그래핀 복합층이 형성된 OLED용 금속기판 및 그의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 가요성, 방열성, 내수분성, 작업성이 우수하고, 표면 거칠기 및 열팽창계수의 제어가 용이하면서도 경제성이 있는 OLED용 금속기판을 제공할 수 있다.

Description

０ＬＥＤ용 금속기판 및 그의 제조방법{METAL SUBSTRATE FOR OLEDS AND FABRICATION METHOD OF THE SAME}

본 발명은 OLED용 금속기판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

대량의 정보를 처리 및 표시하는 디스플레이 장치의 일례인 유기발광 다이오드(Organic Light Emitting Diodes: OLED)는 소자 자체적으로 빛을 발광하며 낮은 전압에서도 구동될 수 있기 때문에 최근 휴대기기 등의 소형 디스플레이 장치에 빠르게 적용되고 있다. 또한 OLED는 소형 디스플레이를 넘어서 대형 TV와 같은 대형 디스플레이 분야에서도 상용화를 목전에 둔 상태이다.

이러한 OLED 소자의 지지 기판으로서 유리기판을 사용하게 되면 경량화, 박형화, 그리고 디스플레이의 유연성을 확보하는 데에 한계가 있어, 적용에 제약이 따른다.

따라서, 최근에는 유리기판 대신에 플라스틱이나 폴리머 재질과 같은 유연성이 있는 기판을 사용하기도 한다. 그러나, 이러한 플라스틱이나 폴리머 재질은 수분 투습성이 높기 때문에 투과된 수분에 의해서 OLED의 수명이 단축된다는 단점이 있다. 또한 대체적으로 열 방출 성능이 낮아 디스플레이 장치 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 배출하지 못한다는 단점이 있다.

한편, 금속기판의 경우, 소재의 특성상 수분방지 능력이 매우 뛰어나고 방열성 또한 매우 우수하여, 플렉서블 디스플레이 장치에서 기판으로써 제공될 수 있다. 하지만 종래방식인 압연에 의해 제조된 금속기판은 표면 거칠기 제어가 힘들어 표면 돌기(spike) 혹은 공동(cavity)이 존재하며, 이로 인해 소자 특성이 매우 저하된다.

통상, OLED용 기판으로 적용하기 위해서는 유리와 비슷한 수준의 표면 거칠기가 요구되는데, 이를 위하여 종래에는 CMP(chemical mechanical polishing) 등을 통하여 연마한 후, 고분자 물질 등을 활용하여 평탄화층을 만드는 복잡한 과정을 통해 원하는 수준으로 표면 거칠기를 제어하였다. 하지만 이러한 방법은 대면적의 기판에 대하여는 적용이 어려우며 기판의 비용을 상승시키는 주된 요인이다.

한편, 압연법에 의해서 박형 기판을 만들 경우, 기판의 두께가 얇아질수록 제조비용이 급격하게 상승하는 단점이 있다.

본 발명의 일 측면은 유연하면서도, 방열성이 우수하며, 수분방지 효과가 뛰어나고, 표면 거칠기 제어가 용이하면서도 경제성이 있는 OLED용 금속기판 및 그의 제조방법을 제시하고자 한다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, Fe-Ni 합금기판의 일면에 산화그래핀 복합층이 형성된 OLED용 금속기판을 제공한다.

본 발명의 다른 측면은, Fe 전구체 2~25g/l, Ni 전구체 40~60g/l, 산화그래핀 3~5중량%, 잔부 물을 포함하는 전해액을 준비하는 단계, 상기 전해액에 전류를 인가하여 모기판 상에 Fe-Ni 전착층 및 산화그래핀 복합층을 형성하는 단계를 포함하는, OLED용 금속기판의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 가요성, 방열성, 내수분성, 작업성이 우수하고, 표면 거칠기 및 열팽창계수의 제어가 용이하면서도 경제성이 있는 OLED용 금속기판을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 사용될 수 있는 전기주조 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, OLED용 금속기판의 두께방향 미세조직 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, OLED용 금속기판에 형성된 산화그래핀 복합층의 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 OLED용 금속기판 및 그의 제조방법을 상세히 설명한다.

본 발명의 OLED용 금속기판은 Fe-Ni 합금기판의 일면에 산화그래핀 복합층이 형성되어 있다.

본 발명의 금속기판은 상기 Fe-Ni 합금기판에 의해 우수한 내수분성을 가지게 되고 상기 산화그래핀을 통해 뛰어난 방열성을 나타낸다. 뿐만 아니라, 박막으로 형성되므로 가요성이 확보되어 플렉서블 디스플레이 기판으로 사용하기에 적합하며, 권취 및 전개가 용이하여 가공성 및 작업성이 우수하다. 나아가, 철과 니켈 합금박은 열팽창계수가 OLED로 제조시 기판상에 적층 및/또는 실장되는 다른 구성요소와 유사하게 제어되므로 균열, 뒤틀림 및/또는 파단이 방지된다. 더불어, 전착된 평탄면을 활용하여 소자 적층 불량이 방지된다. 상기 산화그래핀 복합층이 구비된 Fe-Ni 합금기판은 두께의 조절이 용이하며, 연속적으로 대량생산이 가능하다.

한편, 디스플레이 장치는 기판 위에 적층되는 다른 구성요소들과의 열팽창계수가 유사할 것이 요구된다. 열팽창계수의 편차가 발생하는 경우에는 온도의 상승 또는 저하에 따라 기판 또는 그 위에 적층되는 물질에 응력이 가해져 수축이나 팽창으로 인한 균열 또는 파단이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 금속기판은 4 x 10^-6 m/K 이하의 열팽창계수를 갖도록 조절되는 것이 바람직하다.

이러한 문제를 억제하기 위해, 상기 금속기판은 Fe-Ni 합금인 것이 바람직하다. 기판이 Fe-Ni합금으로 이루어진 경우에는, Ni의 함량을 제어함으로써 열팽창 계수를 최적화시킬 수 있다. 또한, 상기 Fe-Ni합금은 내부식성 확보가 용이한 물질이며, 전기주조법으로 제조하는 경우, Fe-Ni합금의 형성이 용이하다는 장점이 있다.

상기 Fe-Ni 합금기판은 Ni: 32~38중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 상기 Ni 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 열팽창계수가 커지게 되고, 이로 인한 열응력 발생으로 인해 소자의 수명특성 저하가 발생하기 쉬워지게 되어, OLED용 기판으로 적용되기 어려울 수 있다.

한편, 상기 Fe-Ni 합금기판의 경우 가격적인 면에서 우위를 가지나 Al이나 Cu에 비해서 열방출 특성이 열위한 단점이 있다. 본 발명자들은 Fe-Ni의 우수한 열팽창특성, 기계적 특성을 살리면서 방열특성을 높이고자 그래핀(graphene)을 도입하게 되었으며 이를 통하여 방열성, 전기전도성, 기계적 성질을 모두 발휘할 수 있는 금속기판을 제공할 수 있게 되었다.

본 발명의 OLED용 금속기판의 두께는 30~100㎛인 것이 바람직하다. 상기 금속기판의 두께가 30㎛ 미만인 경우에는 공정상 기판의 핸들링이 어려운 문제가 있으며, 100㎛를 초과하는 경우에는 압연법을 이용하여 박막 기판을 제조하는 기술과 대비하여 생산성이 떨어지는 단점이 있다. 전기주조법을 이용하는 경우, 상기 금속기판의 두께는 전류밀도 및 전착시간을 조절하여 제어 가능하다.

전기주조법에 의하여 제조된 금속기판을 박리하면, 그 전착면이 모기판의 거칠기를 전사하여 동일한 거칠기를 지니게 된다. 이때 모기판의 표면거칠기(Ra) 또는 금속기판의 표면 거칠기는 4nm 이하, 바람직하게는 2nm 이하의 거칠기를 가지는 것이 좋다. 표면 거칠기가 4nm를 넘는 경우에는 이를 이용한 소자의 특성이 저하될 수 있다. 예를 들어, OLED를 구성하는 각 층은 나노 스케일의 매우 얇은 박막층이므로, 표면 거칠기가 클 경우, 피크 골 부분에서 소자의 단락이 일어나거나 소자의 밝기가 불균일하게 되는 등의 소자 특성 저하 우려가 있다.

본 발명에서는 전해액 속에 균일 분산된 산화그래핀(graphene oxide, GO)과 Fe-Ni의 공석 반응을 통하여 일면에 산화그래핀이 분산된 층을 가지는 Fe-Ni 함금기판을 만들어 금속기판의 우수한 특성을 이용하면서 산화그래핀층을 활용하여 방열특성을 획기적으로 개선하고자 한다. 특히 상기 산화그래핀은 Fe-Ni와의 공석반응에 의해 높은 강도로 부착될 수 있으므로 금속기판으로는 Fe-Ni 박판을 형성하는 것이 바람직하다. 그리하여 본 발명자들은 이들을 단일 프로세스에서 간단히 형성시킬 수 있는 방법으로 전기주조법이 유용하다는 사실을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

전기주조법이란 전해조, 음극, 양극 및 전원을 구비한 전기주조장치를 이용하여, 상기 음극을 모기판으로 하여 모기판 상에 금속 박막을 형성하고 나서, 상기 금속 박막을 모기판으로부터 분리하여 금속기판으로 활용하는 방법을 말한다.

본 발명에 있어서, 금속박을 제조하는 전기주조장치는 특별히 한정하는 것이 아니며, 금속박을 전기주조법에 의해 제조할 수 있는 것이라면 어떠한 것도 사용할 수 있다. 예를 들면, 통상적으로 금속박을 제조하는데 사용되는 드럼형 전기주조장치를 사용할 수 있으며, 나아가, 연속적으로 공급된 금속 모기판을 전해액에 수용시키고, 상기 모기판 표면에 전착층을 생성시키는 수평형 전기주조 장치를 사용할 수도 있다.

본 발명에 사용될 수 있는 전기주조장치의 일 예는 도 1에 도시한 바와 같다. 도 1을 참고하면, 예시적인 전기주조장치(100)는 전해조(101)의 내부에 양극(102) 및 음극(103)이 구비되고, 상기 양극(Anode)(102)과 음극(Cathode)(103)은 소정의 간격을 유지하도록 배치된다. 상기 양극(102)과 음극(103)은 전원(104)과 전기적으로 연결되어, 전류가 흐르게 된다.

상기 전해조(101)에 전해액을 주입하고, 상기 전해액에 침지된 양극(102)과 음극(103)에 전류가 인가되면, 음극을 모기판으로 하여 음극의 표면에 금속 박막(1)이 형성되게 되며, 이 때 상기 음극(103)의 표면에 패턴이 형성되어 있는 경우에는 음극 상에 형성된 금속 박막에도 동일한 패턴이 형성될 수 있다.

상기 금속 박막(1)을 상기 음극(103)으로부터 분리하면 패턴화된 금속 박막을 획득할 수 있으며, 본 발명의 OLED용 금속기판으로 이용될 수 있다.

본 발명에 있어서 음극이 일정한 표면 거칠기를 갖는 경우, 이러한 음극을 이용하여 전기주조를 수행하게 되면 음극 표면에 형성되는 금속 박막이 상기 음극과 동일한 범위의 표면 거칠기를 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 음극의 표면 거칠기의 형성은 물리적인 방법으로 형성할 수도 있으며, 다른 방법으로서 계면활성제를 0.05 내지 0.4g/l의 범위로 전해액에 투입하여 형성할 수도 있다. 다만, 상기 계면활성제를 0.05g/l 미만으로 투입하게 되면 금속 박막의 표면이 과도하게 거칠어질 수 있으며, 4.0g/l를 초과하게 되면 금속 박막에 원하는 표면 거칠기를 획득하기 어려워지는 경향이 있다.

상기 음극 재료는 산화 피막이 형성된 금속인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게 상기 산화 피막이 형성된 금속은 산화 피막이 형성된 스테인레스 또는 산화 피막이 형성된 타이타늄인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 있어서 전기주조가 용이하게 이루어지기 위해서 전해액의 온도는 50℃ 내지 60℃, 그리고 전해액의 pH는 1.5 내지 3.5로 조절되는 것이 바람직하다. 전해액의 pH를 조절하기 위해 전해액에 pH 완충제로서 보론을 첨가할 수 있으며, 나아가 금속 박막의 응력을 저감시켜 음극으로부터 금속 박막이 용이하게 분리될 수 있도록 전해액에 사카린, 계면활성제 등과 같은 응력 완화제를 추가할 수 있다.

상술한 전기주조법을 이용하여 본 발명의 OLED용 금속기판을 제조하기 위하여, 먼저, Fe 전구체 2~25g/l, Ni 전구체 40~60g/l, 산화그래핀 3~5중량%, 잔부 물을 포함하는 전해액을 준비한다.

상기 전해액은 Fe-Ni 합금기판의 주성분인 철과 니켈의 공급원이다.

본 발명의 기판 성분으로서 사용되는 Fe는 경하면서도 유연하고, 제조 비용이 저렴하고, 대량 생산이 가능하기 때문에 생산성 측면에서도 유리하다는 이점이 있다. 나아가, Fe는 높은 열전도율을 갖고 있고, 일정 수준 이상의 강도 또는 경도를 확보하고 있으면서, 동시에 유연하기 때문에, 물리적 충격에 의한 균열 혹은 파단이 잘 발생하지 않아, 방열성 및 내구성을 확보하는 측면에서도 유리하다.

또한, 롤과 같은 형태로 쉽게 변화되기 때문에, 보관이 용이하고, 기판의 크기를 활용도에 따라 쉽게 조절할 수 있다는 장점이 있다.

상기 Fe 전구체는, 황산철, 염화철, 질산철, 설파민산철 또는 이들의 혼합물일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 상기 Ni 전구체는, 황산니켈, 염화니켈, 질산니켈, 설파민산니켈 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전해액 내에 Fe 전구체는 2~25g/l로, Ni 전구체는 40~60g/l로 포함될 수 있는데 상기 수치범위를 벗어나면 적절한 Fe-Ni 합금량을 조절하기가 어렵기 때문이다.

상기 전해액에는 균일 분산된 산화그래핀을 포함시킨다. 산화그래핀은 전해액 속에 균일 분산되어 전기주조시 형성되는 Fe-Ni 합금기판의 일면에 형성되어 열방출 특성을 개선하게 된다. 상기 산화그래핀은, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 전해액의 3~5중량%가 포함되며 균일 분산을 위해 전해액 내에서 2~3시간 초음파 처리를 해준다. 산화그래핀양의 상기와 같이 한정한 이유는 산화그래핀 양이 적어지면 전주재 내에 충분히 공석되기가 어려우며 양이 많아지게 되면 용액내에 균일 분산이 어렵기 때문이다. 초음파 처리 시간의 경우, 적게 되면 균일 분산이 어렵기 때문에 2-3시간 처리가 적절하다.

또한, 상기 전해액에는 pH 조절을 위하여 산이 포함될 수 있으며, 붕산, 황산, 염산 등 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 전해액의 적정 pH는 1.5~3.5이다.

또한, 상기 전해액은 필요에 따라 선택적으로, 통상 첨가되는 기타 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전도보조제, 계면활성제, 착화제, 응력완화제 및 pH 완충제 중 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다. 상기 전도보조제는 전해액의 전도성을 개선하며, 계면활성제는 금속이온 및 산화그래핀의 균일 분산, 착화제는 핵생성 사이트를 만들어 주어 균일 전착성을 개선하는 기능을 수행한다. 상기 응력완화제는 전착층의 응력을 감소시켜서 전착층이 모기판으로부터 용이하게 탈착되도록 하며, 상기 pH 완충제는 전해액의 pH를 조절하는 기능을 한다.

상기 전도보조제는 20~40g/l, 착화제는 5~10g/l, 응력완화제는 2~3g/l, pH 완충제는 20~30g/l로 포함될 수 있으며 상기의 범위를 넘어서면 적절한 도금층이 형성되지 않을 수 있다.

상기 성분들을 포함하는 전해액을 모기판에 공급하여 전기 주조함으로써 본 발명의 금속기판을 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해액에 전류를 인가하게 되면 전착면에 우선적으로 Fe-Ni 전착층이 형성되며, 분산된 산화그래핀과 전해액 내부에 존재하는 Fe, Ni 금속 이온들이 함께 공석되며 산화그래핀 복합층을 형성하게 된다. 상기 Fe-Ni 전착층은 Fe-Ni 합금형태로 형성될 수 있으며, Fe-Ni 전착층 및 산화그래핀 복합층을 모기판으로부터 분리하여 OLED용 금속기판으로 활용할 수 있다. 따라서, Fe-Ni 합금기판 위에 산화그래핀 복합층이 형성된 금속기판을 얻을 수 있다.

이때, 상기 인가되는 전류의 밀도는 3~10A/dm²인 것이 전해반응을 수행함에 있어서 유리하며, 상기 전류밀도를 벗어나게 되면 합금 성분을 조절하기 힘들다.

상기 과정에 의하여 얻어진 Fe-Ni 합금기판의 일면에 산화그래핀 복합층이 형성된 금속박을 박리시켜서 본 발명의 OLED용 금속기판으로 활용하게 된다.

본 발명처럼 공석 반응을 이용할 경우 Fe-Ni 합금기판층과 산화그래핀 복합층을 가지는 금속기판을 단일 프로세스로 얻을 수 있어서, 방열특성을 개선하기 위하여 필요한 추가적인 코팅처리 또는 방열구조물 형성작업을 생략할 수 있어서, 제조공정을 획기적으로 단축 시킬 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

슈퍼미러 가공에 의해 표면거칠기(Ra)를 20nm로 연마하고 전해연마를 통하여표면조도를 2nm로 연마후 수세한 STS 304 강판을 모기판으로 이용하여 전기주조를 통하여 금속박을 제조하였다. 이때, 사용된 전해액으로는 FeCl₂.4H₂O 10g/l, NiCl₂.6H₂O 48g/l, 및 H₃BO₃ 25g/l 와 산화그래핀 3중량%를 포함하며, pH 1.5~3.5, 온도 50~60℃인 수용액을 사용하였다.

상기 전해액에 전류밀도 5A/dm²를 인가하여 전해반응을 행하였으며, 이때 Fe-Ni 전착층이 형성되며 뒤이어 산화그래핀의 복합층이 형성된다. 이에 의해 상기 모기판에 두께 40㎛의 Fe-Ni 전착층을 형성하였다.

상기 형성된 Fe-Ni 전착층을 분리하여 Fe-Ni 합금기판을 얻었다. 상기 제조된 Fe-Ni 합금기판은 Ni 34중량%, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하며, 열팽창계수는 3.4 x 10^-6m/K이고, 표면 거칠기(Ra)는 모기판과 동일한 2nm이었다.

상기 얻어진 Fe-Ni 합금기판은 열전도도가 31W/(m℃)로서, 1W/(m℃)인 유리기판에 비하여 높은 열전도도를 나타내었다.

상기 얻어진 Fe-Ni 합금기판의 두께방향 미세조직 사진을 도 2에 나타내었다. Fe-Ni 합금기판 상에 산화그래핀 복합층이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.

도 3은 상기 Fe-Ni 합금기판의 산화그래핀 복합층 사진이다.

한편, 상기 얻어진 Fe-Ni 합금기판 상에 Ag반사전극/CuO 정공주입층/a-NPD 정공수용층/Alq3 발광층/BCP 정공방지층/Alq3 전자 수용층을 순차적으로 형성하고, 그 위에 투명전극을 형성하여 OLED를 제조하였다. 비교예로써, 유리기판을 사용하여 동일한 방법으로 OLED를 제조하였다.

상기 제조된 OLED의 수명 특성(24시간 가동 후)를 측정하여 비교하였는바, 유리기판 상의 OLED는 초기 휘도 162cd/m², 말기 휘도 134 cd/m²로서, 17.3%의 휘도 저하를 보인 반면, 본 발명에 따른 Fe-Ni 합금기판 상의 OLED는 초기 휘도 159 cd/m², 말기 휘도 139 cd/m²로서, 12.5%의 휘도 저하를 보여, 상기 유리기판 상의 OLED에 비하여 낮은 휘도 저하 특성을 나타내었다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 금속기판은 비교예의 유리기판 대비 방열성 개선을 통하여 뛰어난 성능을 보여줌을 알 수 있다.

Claims (11)

1. Fe-Ni 합금기판과 상기 Fe-Ni 합금기판 상의 산화그래핀 복합층이 전기주조법의 공석반응으로 동시에 형성된 OLED용 금속기판.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 합금기판은 Ni: 32~38중량%, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진 것인, OLED용 금속기판.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 금속기판은 4 x 10^-6 m/K 이하의 열팽창계수를 가지는 것인, OLED용 금속기판.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 금속기판은 30 내지 100㎛의 두께를 가지는 것인, OLED용 금속기판.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 금속기판은 4nm 이하의 표면 거칠기(Ra)를 가지는 것인, OLED용 금속기판.
6. Fe 전구체 2~25g/l, Ni 전구체 40~60g/l, 산화그래핀 3~5중량%, 잔부 물을 포함하는 전해액을 준비하는 단계; 및
   상기 전해액에 전류를 인가하여 모기판 상에 Fe-Ni 전착층 및 산화그래핀 복합층을 형성하는 단계를 포함하는 OLED용 금속기판의 제조방법.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 전해액은 전도보조제, 계면활성제, 착화제, 응력완화제 및 pH 완충제 중 1종 이상을 추가로 포함하는 것인, OLED용 금속기판의 제조방법.
8. 제 6항에 있어서,
   상기 Fe 전구체는 황산철, 염화철, 질산철, 설파민산철 또는 이들의 혼합물인 것인, OLED용 금속기판의 제조방법.
9. 제 6항에 있어서,
   상기 Ni 전구체는 황산니켈, 염화니켈, 질산니켈, 설파민산니켈 또는 이들의 혼합물인 것인, OLED용 금속기판의 제조방법.
10. 제 6항에 있어서,
    상기 전해액의 pH는 1.5~3.5인, OLED용 금속기판의 제조방법.
11. 제 6항에 있어서,
    상기 전류의 밀도는 3~10A/dm²인 것인, OLED용 금속기판의 제조방법.

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