KR101668529B1 - 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강 - Google Patents

디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강 Download PDF

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Abstract

유기전자소자의 봉지를 위한 봉합용 금속 소재가 소개된다.
본 발명의 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강은, 중량%로, C: 0.02% 이하(0은 제외), Si: 0.4% 이하(0은 제외), Mn: 0.5% 이하(0은 제외), Cr: 3.0% 이하(0은 제외), Ni: 39~41%, Co: 0.6% 이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강{ENCAPSULANT FOR PACKAGING AN ORGANIC ELECTRIC DEVICE FOR DISPLAY WITH LOW THERMAL EXPANSION COEFFICIENT}
본 발명은 유기전자소자의 봉지를 위한 봉합용 금속 소재에 관한 것이다.
유기 전자 공학은 유기재료를 사용하여 전자 및 광전자 부품을 개발하는 학문으로, 유기 박막 트랜지스터 및 유기 발광 다이오드 등의 핵심 소자에 대한 제품 개발이 이루어지고 있다.
최근 유기 발광 다이오드 소자를 이용한 대면적 디스플레이가 출시되고 있으바, 이러한 대면적 디스플레이는 유연성을 가지고 있어 차세대 디스플레이로 주목을 받고 있다.
그러나, 이러한 유기 전자 소자는 대기 조건에서 수분, 산소 분자와 반응하여 쉽게 열화되는 문제점을 갖고 있어서, 공기 중의 분자들로부터 열화되는 것을 방지하기 위해 단단한 커버 글라스로 유기 전자 소자를 봉지하고 있다.
이러한 봉지 공정은 유기 전자 소자의 내구성 향상을 위해 반드시 필요한 과정이다.
한편, 최근 생산성 향상을 위한 롤투롤(roll-to-roll) 공정을 적용하기 위하여 금속 봉지재가 사용되고 있는바, 특히 금속 봉지재의 경우 열적 특성 및 광학적 차폐성이 우수하므로, 디스플레이, 조명, 모바일, 태양전지 등의 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 예측된다.
디스플레이용 유기 발광 다이오드는 사용 시 최대 120℃ 수준의 발열이 나타나며, 이때 유리 기판과 접착된 봉지 소재 간의 열변형 차이가 발생할 수 있다.
금속 봉지재의 경우 유리 및 플라스틱 봉지재 대비 열전도가 높아 방열에 유리하나, 유리 기판과 열팽창 계수 차이에 의한 접합면 파괴 혹은 휘어짐 등이 발생 할 수 있다.
이를 방지하기 위하여 기존 디스플레이 쉐도우 마스크용으로 사용되던 고순도 Fe-Ni 합금이 봉지재용 소재로 적용되고 있지만, 경제성 및 생산 효율성이 크게 저하되는 문제점이 존재한다.
한편, 유기 전자 소자에 일반적으로 사용되는 인바 합금 혹은 고순도 Fe-Ni 합금은, C≤0.01 wt%, Si:0.01~0.1 wt%, Mn:0.01~0.1 wt%, Cr≤0.1 wt%, Nb:0.01~1.0 wt%, S≤0.0020 wt%, Al≤0.005 wt%와 같이 Fe, Ni 이외의 원소를 최대 1.3% 이하로 최소화 하거나, 16% 이상의 Co를 함유하는 강을 사용하고 있다.
그러나, 이러한 합금은 고순도 확보 및 고가 합금 원소 첨가에 따른 비용 상승을 초래할 수밖에 없는 단점이 존재한다.
이러한 과도한 비용 증가 방지를 위해 전기 주조 방법에 의한 봉지재 제조와 관련된 기술도 제안되고 있으나, 이 또한 새로운 설비 투자를 해야 하는 단점이 존재한다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 2003-129185 A (2003.05.08.) US 5,192,497 A (1993.03.09.)
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 과도한 비용 증가없이 저비용으로 생산 가능한 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강은 중량%로, C: 0.02% 이하(0은 제외), Si: 0.4% 이하(0은 제외), Mn: 0.5% 이하(0은 제외), Cr: 3.0% 이하(0은 제외), Ni: 39~41%, Co: 0.6% 이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
하기의 수식 (1)은 260 ~ 265 인 것을 특징으로 한다.
(4.2 x Cr) + (6.4 x Ni) + (7.6 x Co)----- (수식 1)
하기의 수식 (2)는 1.7 이하인 것을 특징으로 한다.
(2 x Cr) + (Si) + (Co)----- (수식 2)
본 발명의 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강은, 25 ~ 120℃ 에서 3.6 ~ 4.3 x 10-6/℃ 범위의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강은 상온에서 11W/m·K 이상의 열전도도를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강은, 3.6x10-6 ~ 4.3x10-6/℃ 의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 아래와 같은 다양한 효과가 구현된다.
첫재, 저비용으로도 유기발광다이오드 봉지재용 강을 제조할 수 있는 이점이 있다.
둘째, 유기발광다이오드의 수명을 개선할 수 있는 이점이 있다.
셋째, 저열팽창성 확보를 위해 엄격하게 불순물을 제어할 필요가 없는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강의 Cr-Ni-Co 함량 변화에 따른 열팽창 계수 변화를 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강의 Cr-Si-Co 함량 변화에 따른 열전도도 변화를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강을 설명한다.
본 발명의 유기발광다이오드 봉지재용 강에 따르면, Cr, Si, Mn 등 일반적인 불술물을 다량 함유한 범위에서 유기전자소자 봉지재용으로 적용 가능한 3.6~4.3 x 10-6/oC 범위의 열팽창 계수를 확보, 저비용으로 유기발광다이오드 봉지재용 강을 생산해 낼 수 있다.
본 발명의 유기발광다이오드 봉지재용 강은, 중량%로, C: 0.02% 이하(0은 제외), Si: 0.4% 이하(0은 제외), Mn: 0.5% 이하(0은 제외), Cr: 2.0% 이하(0은 제외), Ni: 39~41%, Co: 0.6% 이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이하에서는 첨가되는 원소의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다.
C는 0.02% 이하로 첨가된다. C는 탄화물을 형성하여 열팽창을 열화시키는 원소로서, 다양한 탈탄 공정을 통하여 극저로 관리되고 있으나, 극저 탈탄 공정을 진행하는 경우 비용이 증가되므로, 적정한 함량 설정이 중요하다. 본 발명에서는 0.02% 이하의 함량 범위를 설정하였으며, 0.02% 이하 함량을 포함하는 경우 저열팽창 특성을 유지함을 확인하였다. 탄소 함량 증가에 따라 강도가 증가되므로, 박판재로 활용이 가능해지는 이점이 있다.
Si는 0.4% 이하로 첨가된다. Si는 합금 정련 시 탈산을 위해 첨가되는 필수적인 원소이지만, Si를 과다하게 첨가하는 경우 열팽창율이 증가되므로 0.1% 이하로 첨가량을 제한하는 것이 일반적이다. 본 발명에서는 0.4% 수준까지 Si 함량을 증가시켜 정련 시 탈산을 용이하게 함으로써 산소 함량을 저감, 개재물 제어를 유리하게 하면서도, 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 소재로 적용 가능한 4.3 x 10-6/oC 이하의 열팽창율을 얻을 수 있었다.
Mn은 0.5% 이하로 첨가된다. Mn은 고용 강화 원소로 유용하고, 열간 가공성 향상에도 효과적인 원소이다. 특히 합금 정련 시 Si과 함께 탈산재로 사용되는바, 필수적으로 첨가되는 원소이지만, 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 소재에서 필요로 하는 저열팽창 확보를 위해 0.1% 이하로 첨가량이 제한되는 것이 일반적이다. 본 발명에서는 0.4% 수준의 Mn 첨가 후 Cr, Ni, Co 성분 조절을 통하여 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 소재로 적용 가능한 3.6~4.3 x 10-6/oC 범위의 열팽창 계수를 확보하였다.
Cr은 3.0% 이하로 첨가된다. Cr은 스테인리스강 제조 공정에서 필수적으로 첨가되는 원소이지만, 통상 스테인리스 공정에서 여타 강종을 제조할 경우, 지금 등이 Cr을 유입하게 되는바, 제거가 용이하지 않다. Cr은 열팽창계수를 증가시키는 원소로 저열팽창강에서 0.1% 이하로 제어되는 것이 일반적이며, 상술한 이유 때문에 스테인리스강 제조 공정에서 저열팽창강을 제조하는데 한계가 있었다.
본 발명에서는 Cr 함량을 최대 6%까지 증가시키면서 열팽창율을 감소시키는Ni 함량을 조절, 최대 3%까지 첨가 가능한 성분 범위를 도출하였다. Cr 첨가는 강의 내식성을 향상시키는 효과가 있으므로, 기존의 극저 Cr 저열팽창강 대비 내식성이 개선되는 효과가 있다.
Ni은 39~41% 범위에서 첨가된다. Ni은 저열팽창강을 얻기 위한 필수적인 원소로서, 35~42% Ni 함유 시 저열팽창 특성을 나타내는 것으로 알려져 있는바, 이때 Fe-Ni 이외의 불순물 원소들은 극저로 관리되어 왔다. 본 발명에서는 Ni 함량을 39~41%로 한정하고, 39~41% 범위에서 Cr, Co 성분을 조절하여 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 소재로 적용 가능한 열팽창 계수를 확보하였다.
Co는 0.6% 이하로 첨가된다. Co는 인바 합금에서 4% 이하 첨가 시 열팽창 계수를 저감시키고, 그 이상 첨가 시 열팽창 계수를 증가시키는 성분이다. 본 발명에서는 0.6% 이하로 첨가하여 열팽창 계수를 평가하였으며, Cr, Ni 함량과 함께 고려하여 그 함량을 조절함으로써 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 소재에 적용 가능한 열팽창 계수를 도출하였다.
본 발명자는 Cr 함량이 열팽창 계수에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 다양한 Cr 함량을 갖는 시료를 진공 용해로에서 용해하고, 150 x 150 x 280 mm 크기의 잉곳을 제조한 후, 1210℃에서 열처리, 5mm 두께까지 열간 압연을 실시하였다.
압연은 패스당 20% 내외의 압하율로 실시하였으며 가역식 압연기를 이용하여 압연하였고, 압연 후에 상온에서 냉각된 강재로부터 열팽창계수를 평가하였다.
열팽창 계수는 딜라토미터를 이용하여 평가하였으며, 25~120℃에서 1℃/sec 조건으로 승온하여 온도 변화에 따른 길이 변화를 계측하였으며, 하기의 수식에 따라 선열팽창계수를 계산하였다.
αm = (1/L0)(△L/△T)
(αm : 열팽창계수, L0 : 초기 길이, △L : 길이 변화, △T : 온도 변화)
열팽창계수 평가 결과, Cr이 3%를 초과하면 열팽창계수가 급격히 증가하여 5x10-6을 초과하는 열팽창 계수를 나타냄을 확인할 수 있었는데, 이러한 수치는 유기발광다이오드 소재로 적용 가능한 열팽창 계수에 해당하는 3.6~4.3 x 10-6을 벗어나는 수치이다.
상술한 바와 같이, Cr은 스테인리스강을 제조하는 공정에서 필수적인 원소인데, 통상 스테인리스 강종을 제조하는 경우 지금 등이 Cr을 유입하여 그것의 제거가 용이하지 않기 때문에, 스테인리스강 제조 시 저열팽창강을 제조하는데에는 한계가 존재한다.
본 발명자는 Cr은 물론 다른 화학성분 및 나머지 Fe 및 불가피한 불순물들의 성분을 조절하여 이루어진 시료를 진공 용해로에서 용해하고, 150x150x280mm 크기의 잉곳을 제조, 1210℃에서 열처리 한 후, 5mm 두께까지 열간 압연을 실시하였다. 압연은 매 패스당 20% 내외의 압하율로 실시하였으며, 가역식 압연기를 이용하여 압연하였다. 압연 후 상온 냉각된 강재에서 열팽창계수 평가용 시편을 제작하였다.
구분 C Si Mn Cr Ni Co
1 0.010 0.12 0.42 0.09 40.7 0.084




발명예
2 0.008 0.08 0.42 0.05 40.6 0.096
3 0.007 0.15 0.42 0.45 40.0 0.510
4 0.010 0.23 0.43 1.00 39.9 0.098
5 0.017 0.22 0.41 2.07 39.2 0.075
6 0.009 0.12 0.40 2.06 39.1 0.078
7 0.009 0.15 0.41 0.10 40.7 0.053
8 0.009 0.15 0.44 0.98 39.8 0.510
9 0.009 0.40 0.42 1.01 40.0 0.090
10 0.009 0.16 0.41 0.46 40.6 0.079
11 0.010 0.12 0.45 0.06 40.7 0.065
12 0.008 0.23 0.40 1.00 39.4 0.500
13 0.012 0.25 0.40 0.98 39.3 0.530
14 0.012 0.24 0.39 1.00 39.5 0.520
15 0.009 0.25 0.42 0.95 39.7 0.530
16 0.008 0.08 0.28 0.03 35.9 0.037




비교예
17 0.009 0.16 0.41 1.02 37.5 0.072
18 0.010 0.15 0.41 1.00 39.0 0.074
19 0.007 0.14 0.43 0.46 39.1 0.075
20 0.010 0.24 0.38 0.98 38.9 0.080
21 0.011 0.41 0.40 0.99 39.0 0.080
22 0.011 0.14 0.41 1.00 39.0 0.510
23 0.008 0.14 0.40 0.46 39.0 0.510
24 0.020 0.26 0.42 2.03 40.7 0.071
25 0.010 0.12 0.40 2.04 40.7 0.082
26 0.007 0.16 0.41 1.01 42.0 0.081
27 0.010 0.15 0.41 5.78 41.4 0.084
28 0.008 0.15 0.40 5.80 42.8 0.100
구분 25~125℃ 구간에서 열팽창계수(/℃) 4.2Cr+6.4Ni+7.6Co
1 4.03 x 10-6 261.5
2 4.03 x 10-6 260.8
3 4.06 x 10-6 261.8
4 4.12 x 10-6 260.3
5 4.12 x 10-6 260.1
6 4.15 x 10-6 259.5
7 4.15 x 10-6 261.3
8 4.21 x 10-6 262.7
9 4.22 x 10-6 260.9
10 4.27 x 10-6 262.4
11 4.10 x 10-6 261.2
12 3.85 x 10-6 260.2
13 3.81x 10-6 259.7
14 4.11 x 10-6 261.0
15 4.17 x 10-6 262.1
16 1.17 x 10-6 230.1
17 2.40 x 10-6 244.8
18 2.87 x 10-6 254.4
19 3.05 x 10-6 252.7
20 3.26 x 10-6 253.7
21 3.38 x 10-6 254.4
22 3.42 x 10-6 257.7
23 3.49 x 10-6 255.4
24 4.75 x 10-6 269.5
25 5.20 x 10-6 269.7
26 5.65 x 10-6 273.7
27 7.02 x 10-6 289.9
28 7.61 x 10-6 299.0
표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 다양한 성분 원소를 포함하는 각각의 강종에 대하여 열팽창 계수를 측정하였고, 열팽창 계수에 영향을 미치는 성분 원소를 다각도로 분석, 가장 큰 영향을 미치는 원소로 Ni, Cr, Co을 추출, 이러한 원소들 간의 상관 관계를 하기의 식으로 도출하였으며, 각각의 강종에 대하여 하기의 수식값을 산출하였다.
4.2Cr+6.4Ni+7.6Co
도 1에 도시된 바와 같이, 상기의 수식에 따라 열팽창 계수가 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 통상 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 소재로 적용 가능한 열팽창 계수는 3.6~4.3 x 10-6 범위로 매우 좁은데, 상기 수식이 260~265 범위를 만족하는 경우, 유기발광다이오드 봉지재용 소재에 적합한 열팽창 계수가 도출됨을 알 수 있었다. 즉, 열팽창 계수에 영향을 미치는 성분 원소의 함량을 상술한 수식을 기초로 조절할 수 있게 된 것이다. 특히 2% 이상의 Cr을 함유하여 불순물 함량이 높은 경우에도 상술한 수식을 이용한다면 적용 가능한 적정 성분 범위를 설계할 수 있게 된다.
한편 유기발광다이오드 봉지재용 소재로 금속을 사용하는 경우 금속의 빠른 열전도도로 인하여 방열 특성이 우수하지만, 일반적인 성분 원소가 첨가되는 경우 탄화물 등의 이차 상의 영향에 의해 열전도도가 감소된다.
표 1에 나타낸 강종에 대하여 열전도도를 측정, 이를 표 3에 나타내었다.
이를 기초로, 열전도도에 큰 영향을 미치는 성분 원소를 분석하여 Cr, Si 및 Co를 추출하였고, 이러한 성분 원소 간의 상관관계를 분석하여 도 2에 나타내었다.
구분 25℃열전도도(W/m·K) 2Cr+Si+Co 열전도도 기준치 만족 여부
(11 이상)
1 12.1 0.41 o
2 11.7 0.31 o
3 12.2 1.26 o
4 11.7 1.56 o
5 9.7 2.59 x
6 10.5 2.38 x
7 12.2 0.45 o
8 12.1 1.79 x
9 10.4 1.90 x
10 12.4 0.86 o
11 12.7 0.37 o
12 10.7 1.96 x
13 10.6 2.01 x
14 10.4 2.00 x
15 10.6 1.98 x
16 12.9 0.22 o
17 12.5 1.41 o
18 11.8 1.37 o
19 11.7 0.82 o
20 11.9 1.54 o
21 10.5 1.89 x
22 10.7 1.79 x
23 11.7 1.25 o
24 11.9 2.62 x
25 10.8 2.36 x
26 12.6 1.41 o
27 8.4 6.16 x
28 8.6 6.20 x
디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강으로 사용되기 위한 중요한 조건 중의 하나가 열전도도이다. 열전도도 조건을 만족해기 위해서는 11W/m·K 이상의 열전도도를 가져야 한다.
도 2 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 열전도도에 가장 큰 영향을 미치는 인자인 Cr, Si, Co 사이의 상관 관계식은 2Cr+Si+Co 값이 1.7 이하인 경우 11W/m·K 이상의 열전도도값을 도출할 수 있음을 확인하였다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (6)

  1. 열화방지 목적으로 디스플레이용 유기발광다이오드를 봉지하는 봉지 공정에 이용되는 봉지재용 강으로서,
    중량%로, C: 0.02% 이하(0은 제외), Si: 0.4% 이하(0은 제외), Mn: 0.5% 이하(0은 제외), Cr: 3.0% 이하(0은 제외), Ni: 39~41%, Co: 0.6% 이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기의 수식 (1)은 260 ~ 265 이며, 3.6x10-6 ~ 4.3x10-6/℃ 의 열팽창 계수를 갖도록 하기의 수식 (1)은 260 ~ 265를 만족하며, 상온에서 11 W/m·K 이상의 열전도도를 갖도록 하기의 수식 (2)는 1.7 이하를 만족하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강.
    (4.2 x Cr) + (6.4 x Ni) + (7.6 x Co)----- (수식 1)
    (2 x Cr) + (Si) + (Co)----- (수식 2)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    25 ~ 120℃ 에서 3.6 ~ 4.3 x 10-6/℃ 범위의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는, 디스플레이용 유기발광다이오드 봉지재용 강
  5. 삭제
  6. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2000212701A (ja) 1999-01-18 2000-08-02 Nkk Corp 耐溶接高温割れ性および熱間加工性に優れたインバ―合金
JP2004244645A (ja) 2002-12-17 2004-09-02 Nikko Metal Manufacturing Co Ltd 抵抗体用圧延Ｆｅ−Ｎｉ合金箔
KR100595393B1 (ko) 2001-10-22 2006-06-30 니폰야긴고오교오가부시기가이샤 내식성이 우수한 섀도우 마스크 소재용 Ｆｅ­Ｎｉ계 합금및 섀도우 마스크 재료

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