KR20200058004A - 판 형상이 우수한 철-니켈(Fe-Ni) 합금박의 제조방법 - Google Patents

판 형상이 우수한 철-니켈(Fe-Ni) 합금박의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전주도금법(Electroforming)을 이용하여, 중량%로, Ni: 34~46%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 두께가 40㎛ 이하(0㎛ 제외)인 철-니켈 합금박을 제조하는 철-니켈 합금박 제조단계; 및 연속 열처리로를 통해 상기 철-니켈 합금박을 열처리하는 열처리 단계; 를 포함하고, 상기 열처리 단계는 300~345℃ 온도범위의 제 1 가열구간에서 5분 이상 열처리하는 제 1 열처리 단계 및 380~600℃ 온도범위의 제 2 가열구간에서 열처리하는 제 2 열처리 단계를 포함하는 철-니켈 합금박의 제조방법을 제공한다.

Description

판 형상이 우수한 철-니켈(Fe-Ni) 합금박의 제조방법{A MANUFACTURING METHOD OF Fe-Ni ALLOY FOIL HAVING EXCELLENT PLATE-SHAPE}
본 발명은 유기발광다이오드(OLED: Organic Light Emitting Diodes) 패널에 사용되는 파인 메탈 마스크(FMM)용 전해 철-니켈 합금박의 열처리 시에 판 형상을 개선할 수 있는 전해 철-니켈 합금박의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 철-니켈 합금박은 디스플레이 생산기술의 핵심 부품인 섀도우 마스크(shadow mask)로 사용되고 있다. 파인 메탈 마스크(FMM: Fine metal mask)라고 알려진 이 마스크는 RGB(Red, Green, Blue) 구조의 고해상도 유기발광다이오드를 생산하기 위한 필수 부품으로, 유기발광다이오드 디스플레이 패널 화소를 결정 짓는 핵심 부품이다. 그리고 파인 메탈 마스크는 유연성이 확보되어야 하는 동시에, 고온에서 공정 수행이 이루어짐에 따라 열에 의한 수축, 팽창이 일어날 수 있기 때문에 열팽창이 잘 일어나지 않는 재료의 선택이 필수적이다.
통상적으로 파인 메탈 마스크 소재로 철-니켈(Fe-Ni) 합금계인 인바 합금(Fe-36%Ni)을 주로 사용한다. 종래 기술에서는 파인 메탈 마스크로 사용되는 합금박을 제조하기 위해 압연과 열처리를 실시하고 있었다. 하지만, 상기 유기발 광다이오드를 만들기 위해서는 40㎛ 이하의 박판으로 된 파인 메탈 마스크가 필요한데 종래의 압연 공정을 통해서는 개재물에 의한 표면 불량 및 제조 비용 상승 등의 제조기술의 한계로 인해 극박 제품을 제조하기 어려운 문제점이 있었다. 따라서 종래의 압연과 열처리로 제조되는 파인 메탈 마스크만으로는 유기발광다이오드의 고해상도 상향이 어려운 실정이었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에 전주도금법(Electroforming)을 이용하여 철-니켈 합금박을 생산하는 것이 제안되었다. 상기 전주도금법은 회전하는 원통형의 음극 드럼과 이에 대항하는 한 쌍의 원호 형상의 불용성 양극으로 둘러싸인 틈으로 전해액을 공급하고, 전류를 흘려 상기 음극 드럼 표면에 철-니켈 합금을 전착 시키는 연속적인 전해 철-니켈 합금박 생산이 가능한 방식이다. 그리고 이와 같이 전주도금법으로 Fe, Ni 이온을 금속으로 환원시키는 공정을 제박공정이라 한다.
하지만 전주도금법의 제박 공정에서 얻어진 철-니켈 합금박은 원리적으로 내부 응력을 생산한다. 이와 같은 내부응력은 철-니켈 합금박의 절단 부분(양 끝단)의 말림(Curl)을 발생시키고, 말림(Curl)이 발생된 철-니켈 합금박은 파인 메탈 마스크로서 사용할 수 없는 상태가 된다.
또한 파인 메탈 마스크로 사용 되기 위해서는 철-니켈 합금박의 열팽창계수를 3ppm/℃ 이하의 값을 갖도록 조절할 필요성이 있었다. 철-니켈 합금박의 열팽창율이 큰 경우, 열을 통한 증착 과정 중에 박막 트랜지스터가 형성된 유리와 파인 메탈 마스크가 동시에 가열이 되기 때문에, 열로 인해 팽창이 되어 길이 변화가 발생하는 문제가 발생하게 된다.
상기 철-니켈 합금박의 절단 부분(양 끝단)의 말림(Curl) 방지하고 소정의 열팽창율을 갖도록 하기 위해서는 열처리 공정이 필수적으로 수반되어야 한다. 하지만 두께 40㎛ 이하의 박판을 연속 열처리로에서 열처리를 진행할 경우 철-니켈 합금박에 변형이 일어나 평탄도가 저해되는 문제가 발생하였다. 구체적으로 두께 40㎛ 이하의 박판의 경우 종래 방식으로 연속 단일 열처리로를 활용하여 열처리하면, 철-니켈 합금박의 수축/팽창이 열처리로 입구와 출구에서 급격하게 일어나게 되고, 열처리로의 진행 방향에 대해서 사선으로 철-니켈 합금박의 중심 방향으로 빗살 무늬형태로 버클링이 발생하는 문제점이 나타난다. 이러한 버클링이 발생한 상태에서 열처리가 진행되면 상기 텐션 버클링의 형태와 유사하게 판 형상에 변형이 일어나고, 부분적으로 말림(Curl)이 발생해서 철-니켈 합금박의 평탄도(Waviness)에 좋지 않은 영향을 주게 된다. 또한 두께 40㎛ 이하 수준의 극박에서는 상기 텐션 버클링과 더불어 열처리 시의 급격한 수축/팽창에 의해 부분적으로 철-니켈 합금박에 주름이 발생할 수 있고, 상기 주름이 롤을 타고 넘어갈 때에 찢어짐 등의 손상이 발생하는 문제도 있다.
그리고 유기발광다이오드는 유리 기판에 형성된 박막 트랜지스터(TFT: thin film transistor)위에 파인 메탈 마스크를 정확한 위치로 일치시켜 유기물을 증착시켜야 하기 때문에, 위와 같이 평탄도가 저해된 파인 메탈 마스크로 증착을 하게 되면, 원하는 디스플레이를 구동시키는 소자인 박막 트랜지스터 위가 아닌 틀어진 위치에 유기물이 증착되어 RGB의 색 번짐 불량이 발생하게 된다.
따라서 두께 40㎛ 이하의 극박에서도 열팽창 특성이 우수한 동시에 판 형상 불량이 없는 철-니켈 합금박을 제조할 수 있는 제조방법이 요구되고 있었다.
본 발명은 철-니켈 합금박을 단계적으로 열처리하고, 각 구간에서의 열처리 조건을 적절히 제어함으로써, 낮은 열팽창계수를 가지면서도 판 형상이 향상된 철-니켈 합금박의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은 전주도금법(Electroforming)을 이용하여, 중량%로, Ni: 34~46%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 두께가 40㎛ 이하(0㎛ 제외)인 철-니켈 합금박을 제조하는 철-니켈 합금박 제조단계; 및 연속 열처리로를 통해 상기 철-니켈 합금박을 열처리하는 열처리 단계; 를 포함하고, 상기 열처리 단계는 300~345℃ 온도범위의 제 1 가열구간에서 5분 이상 열처리하는 제 1 열처리 단계 및 380~600℃ 온도범위의 제 2 가열구간에서 열처리하는 제 2 열처리 단계를 포함하는 철-니켈 합금박의 제조방법이다.
상기 열처리 단계 이후 및 200~345℃ 온도범위의 냉각구간에서 냉각되는 냉각 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 철-니켈 합금박의 열처리 후 하기 식 1 에 의해 계산되는 상기 철-니켈 합금박의 평탄도(I-unit)가 1.5 이하일 수 있다.
[식 1] Waviness (I-unit) = [(L-Lref) / Lref] × 105
(여기서, L : 샘플의 펼침 길이, Lref : 샘플의 기준 길이)
상기 철-니켈 합금박의 열처리 후 상기 철-니켈 합금박의 열팽창계수가 3ppm/℃ 이하일 수 있다.
상기 철-니켈 합금박의 열처리 후 상기 철-니켈 합금박의 평균 결정립 크기가 30㎚ 이상 100㎚ 이하일 수 있다.
상기 철-니켈 합금박의 열처리 후 상기 철-니켈 합금박의 인장강도가 0.7㎬ 이상일 수 있다.
상기 철-니켈 합금박의 열처리 후 상기 철-니켈 합금박의 경도가 190~250Hv 일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 철-니켈 합금박의 제조방법에서는, 연속 열처리를 제 1 가열구간과 제 2 가열구간으로 구분하고 각 구간의 온도를 적절히 제어함으로써 낮은 열팽창계수를 가지면서도 우수한 평탄도를 가지는 철-니켈 합금박을 얻을 수 있는 효과가 있다. 평탄도가 개선된 철-니켈 합금박으로 파인 메탈 마스크를 제작할 경우 고해상도의 파인 메탈 마스크 제작이 가능하여 유기발광다이오드의 색선명도를 높일 수 있다. 또한 파인 메탈 마스크로서의 사용에 적합한 평균 결정립 크기 및 인장강도를 가지는 철-니켈 합금박을 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 은 철-니켈 합금박의 연속 열처리 장치를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 연속 열처리 장치의 가열구간을 영역별로 나누어 도식화하여 나타낸 것이다.
도 3 는 전주도금법에 의해 제조된 철-니켈 합금박에 대하여 열처리 온도를 상승시키면서 길이의 변화를 측정한 결과이다.
도 4 는 전주도금법에 의해 제조된 철-니켈 합금박을 상온에서부터 335℃까지 가열(승온속도 5℃/min)하고 335℃에서 유지했을 경우의 온도 변화에 따른 철-니켈 합금박의 길이변화를 측정한 결과이다.
도 5 은 전주도금법에 의해 제조된 철-니켈 합금박을 상온에서부터 335℃까지 가열(승온속도 5℃/min)하고 335℃에서 유지했을 경우의 시간 변화에 따른 철-니켈 합금박의 길이의 변화를 측정한 결과이다.
도 6 은 철-니켈 합금박의 연속 열처리 후 모습을 나타낸 것이다. (a)는 구간별 열처리 온도를 균일하게 400℃로 열처리 한 비교예 1 의 경우이고, (b)는 발명예 2 의 경우로서 본 발명의 조건에 만족하도록 구간별 열처리 온도를 제 1 가열 구간은 345℃로 제어하고, 제 2 가열 구간은 400℃로 제어하고, 냉각 구간은 345℃로 제어한 경우이다.
본 발명자들은 전술한 바와 같은 두께 40㎛ 이하의 철-니켈 합금박의 연속 열처리 방법에서의 문제점을 해결하기 위해 깊이 연구하였다. 먼저 본 발명자들은 철-니켈 합금박에 대한 열처리 시의 가열온도에 대한 영향을 알아보기 위해 전주도금법에 의해 제조된 철-니켈 합금박의 열처리 시 온도에 따른 길이의 변화를 관찰하였고, 그 결과를 도 3 에 나타내었다. 도 3 을 참조하여 설명하면, 철-니켈 합금박은 상온영역부터 345℃ 수준까지 팽창이 나타나고(팽창 영역), 345~380℃ 영역에서 급격한 수축이 발생하며(수축 영역), 그 이상 온도에서는 다시 팽창이 일어나는 것(팽창 영역)을 확인할 수 있다. 도 3 의 345~380℃ 영역에서 급격한 수축은 전주도금법에 의해 제조된 철-니켈 합금박의 결정립계 성장과 준안정상이 안정상으로 변태가 일어나면서 발생한다.
따라서 철-니켈 합금박에 대하여 한번에 고온으로 승온시켜 열처리 하는 경우, 345~380℃ 영역에서의 급격한 수축으로 인해 철-니켈 합금박에서 열팽창/수축이 급격하게 발생하게 되고 버클링이 발생하여 판 형상에 변형이 일어나게 되며, 이로 인해 합금 박에 부분적으로 말림(Curl)이 발생하여 평탄도가 저해된다. 그 결과 도 6 (a) 에서 볼 수 있는 바와 같이 사선 방향의 빗살무늬와 같은 영구 변형이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명자들은 철-니켈 합금박을 300~345℃ 온도범위로 가열하는 경우에 주목하고, 해당 가열온도 범위에서 나타나는 철-니켈 합금박의 수축 현상에 대해 좀 더 깊이 연구하였다. 도 4 에서는 상온영역에서부터 335℃까지 분당 5℃ 의 승온속도로 가열한 후 335℃ 에서 유지했을 경우에 나타나는 온도변화에 따른 철-니켈 합금박의 길이변화를 도시하고 있다. 도 4 에서 볼 수 있는 바와 같이 가열에 따라 팽창이 발생하였다가, 300~345℃의 온도범위에서 유지하면서 시간이 경과하면 점차적으로 (급격하지 않게) 수축이 발생하는 것을 알 수 있다.
도 5 는 동일한 실험에 대하여 시간변화에 따른 철-니켈 합금박의 길이변화를 도시한 것이다. 도 5 에서 확인할 수 있는 바와 같이 가열이 진행됨에 따라 철-니켈 합금박이 팽창되었다가 일정 시간이 지나면 수축이 발생하고, 약 10분 이후부터는 최종적으로 수축이 완료되어 더 이상의 수축은 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다.
이러한 실험 결과로부터 본 발명자들은 철-니켈 합금박에 대한 열처리를 제 1 가열구간에서의 제 1 열처리 단계 및 제 2 가열구간에서의 제 2 열처리 단계의 2개의 단계로 나누고, 제 1 가열구간에서 철-니켈 합금박을 급격하지 않게 수축시키고 제 2 가열구간에서 고온 열처리하면, 전체 열처리 동안 철-니켈 합금박에 급격한 변형이 발생하지 않아 우수한 평탄도 및 열팽창계수를 동시에 만족시킬 수 있는 철-니켈 합금박을 제조할 수 있다는 점을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 철-니켈 합금박의 제조방법은 전주도금법(Electroforming)을 이용하여 철-니켈 합금박을 제조하는 철-니켈 합금박 제조 단계와 연속 열처리로를 통해 상기 철-니켈 합금박을 열처리하는 열처리 단계를 포함한다.
철-니켈 합금박 제조 단계
먼저 상기 철-니켈 합금박 제조단계에 의해 제조되는 철-니켈 합금박은 중량%로, Ni 34~46%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 두께가 40㎛ 이하 (0㎛ 제외)인 것이 바람직하다.
상기 Ni 함량이 지나치게 낮을 경우, 철-니켈 합금박의 열팽창계수가 급격하게 증가하는 문제가 있으므로, 상기 Ni 함량은 34중량% 이상인 것이 바람직하고, 35중량% 이상인 것이 보다 바람직하며, 36중량% 이상인 것이 보다 더 바람직하다. 반면, 그 함량이 지나치게 높을 경우, 철-니켈 합금박의 열팽창계수가 유리 기판 등에 비해 지나치게 커지게 되는 문제가 있으므로, 상기 Ni 함량은 46중량% 이하인 것이 바람직하고, 44중량% 이하인 것이 보다 바람직하며, 42중량% 이하인 것이 한층 더 바람직하다.
한편 상기 철-니켈 합금박의 두께가 두꺼우면 고해상도의 유기발광다이오드의 제조에 적용할 수 없으므로, 상기 철-니켈 합금박의 두께는 40㎛이하인 것이 바람직하고, 18㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 반면 고해상도의 유기발광다이오드의 제조 시 파인 메탈 마스크의 두께, 즉 철-니켈 합금박의 두께는 얇을수록 유리하므로 그 하한은 별도로 한정하지 않을 수 있다(단, 0 ㎛ 초과). 다만, 철-니켈 합금박이 너무 얇을 경우 파인 메탈 마스크의 제조 공정에서 덴트, 구김, 판파단 등의 문제가 발생할 가능성이 높아지므로, 비제한적인 일 구현례로서 그 하한을 5㎛ 이상으로 할 수 있다.
열처리 단계
상기 철-니켈 합금박 제조단계에 의해 제조된 철-니켈 합금박은 이후 연속 열처리로에서 열처리된다. 상기 열처리 단계는 300~345℃ 온도범위의 제 1 가열구간에서 5분 이상 열처리하는 제 1 열처리 단계, 380~600℃ 온도범위의 제 2 가열구간에서 열처리라는 제 2 열처리 단계로 이루어질 수 있으며, 이후 200~345℃ 온도범위의 냉각구간에서 냉각되는 냉각 단계를 포함할 수 있다.
도 1 에는 인입부 텐션 조절기 (1), 연속 열처리로 (2) 및 권취부 (3) 로 구성된 열처리 장치가 도시되어 있다. 전주도금법에 의해 제조된 상기 철-니켈 합금박은 인입부 텐션 조절기 (1) 를 거쳐 연속 열처리로 (2) 의 인입부 측으로 연결되고, 그 다음 상기 연속 열처리로 (2) 에서 연속적으로 열처리된 후 권취부 (3) 에서 권취될 수 있다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 연속 열처리로의 인입부와 제 1 가열구간(Zone 1), 제 2 가열구간(Zone 2) 및 냉각구간(Zone 3)이 연속적으로 연결되어 있는 것이 바람직하며, 각 구간별로 온도를 제어할 수 있도록 구비되는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 일 측면에 따른 철-니켈 합금박의 제조방법에서, 전주도금으로 제조된 철-니켈 합금박은 300~345℃ 온도범위의 제 1 가열구간에서 5분 이상 열처리되는 것이 바람직하다(제 1 열처리 단계). 본 발명에서 제 1 가열구간의 온도범위를 300~345℃ 로 제한하는 것은 제 2 가열구간에서의 열처리에서 팽창/수축이 일어나는 것을 방지하기 위해 해당 구간에서 충분히 수축시키기 위한 것이다. 만일 제 1 가열구간의 온도가 300℃ 미만일 경우 철-니켈 합금박이 제 1 가열구간을 지날 때 충분히 수축이 일어나야 함에도 불구하고 온도가 너무 낮아서 수축이 충분하지 못해 이후 제 2 가열 구간을 지날 때 급격하게 수축이 발생하여 판형상이 좋지 않을 가능성이 높아지는 문제가 있다. 반면에 가열온도가 345℃ 를 초과할 경우 도 3 에 나타난 바와 같이 급격하게 수축이 일어나게 되면서 판형상이 좋지 않을 가능성이 높아진다. 따라서 제 1 열처리 단계에서의 온도는 300~345℃ 로 제한하는 것이 바람직하다.
한편, 제 1 열처리 단계에서의 열처리 시간은 5분 이상인 것이 바람직하다. 상기 열처리 시간이 5분 미만이면 철-니켈 합금박의 수축이 충분히 완료되지 못하여 판형상이 열위해질 수 있다. 또한 가열 후 300~345℃ 온도범위에서 유지하는 경우 5분 이상으로 열처리하면 수축이 완료되어 더 이상의 길이변화가 관찰되지 않으므로, 상한은 별도로 한정하지 않을 수 있다. 다만 생산성의 관점에서 열처리 시간을 30분 이내로 할 수 있다.
제 1 가열구간에서 제 1 열처리 단계를 거친 철-니켈 합금박에 대하여 제 2 가열구간에서 제 2 열처리를 실시할 수 있다. 이때 제 2 가열구간에서의 열처리 온도는 380~600℃로 제어하는 것이 바람직하다. 제 2 열처리 단계의 열처리 온도가 380℃ 보다 낮을 경우에는 충분한 결정립계 성장이 이루어지지 않아 철-니켈 합금박의 열팽창계수가 커질 우려가 있으며, 반면에 600℃ 을 초과하는 온도로 열처리를 진행할 경우, 결정립계의 성장이 과도하게 나타나 철-니켈 합금박의 강도/경도가 낮아질 우려가 있다. 제 2 열처리 단계에서의 열처리 시간은 철-니켈 합금박의 합금조성 및 조업조건에 따라 크게 달라질 수 있으므로 본 발명에서는 별도로 한정하지 않을 수 있으며, 3ppm/℃ 이하의 열팽창계수가 얻어지는 조건으로 생산환경에 따라 작업자가 적절히 제어할 수 있다. 다만 비제한적인 일 구현례로서, 제 2 열처리 단계에서의 열처리 시간은 1~60분일 수 있다.
상기 제 2 열처리 단계 이후 철-니켈 합금박은 냉각구간에서 냉각될 수 있다. 이때 상기 냉각구간은 200~345℃의 온도범위로 제어하는 것이 바람직하다. 냉각 구간 온도가 200℃ 보다 낮을 경우 제 2 가열구간보다 과도하게 낮아진 온도 때문에 냉각 과정에서 철-니켈 합금박이 급격하게 수축이 발생하게 되어 평탄도가 좋지 않을 우려가 있다. 반면에 냉각구간 온도가 345℃ 보다 높을 경우 냉각구간에서 상온의 대기로 철-니켈 합금박이 나올 때 급격하게 수축이 발생하여 평탄도가 좋지 않을 우려가 있다.
한편 상기 철-니켈 합금박의 열처리 후 상기 철-니켈 합금박의 평탄도(Waviness, I-unit)는 1.5 이하인 것이 바람직하다. 상기 연속 열처리로의 구간별 열처리 온도를 각각 제 1 가열 구간은 300~345℃로 조절하고, 제 2 가열 구간은 380~600℃로 조절함으로써, 상기 평탄도를 1.5 이하로 제어할 수 있다. 상기 평탄도는 철-니켈 합금박의 평탄한 정도를 나타내는 값으로서 하기 식 1 을 이용하여 계산할 수 있다.
[식 1]
Waviness (I-unit) = [(L-Lref) / Lref] × 105
(여기서, L : 샘플의 펼침 길이, Lref : 샘플의 기준 길이)
상기 평탄도 값이 1.5 을 초과할 경우 파인 메탈 마스크 제조 후 총 피치(total pitch)가 커져서 최종적으로는 마스크 패턴 정밀도가 저하되는 원인이 될 수 있다. 반면에 유기발광다이오드의 제조 과정에서 파인 메탈 마스크의 평탄도가 좋을수록 유리 기판에 형성된 박막 트랜지스터 위에 파인 메탈 마스크를 정확한 위치로 일치시킬 수 있으므로, 상기 평탄도 값은 낮을수록 바람직하다. 따라서 상기 평탄도 값이 0 일 때 더 좋은 파인 메탈 마스크의 제작이 가능한 것이므로 상기 평탄도 값의 하한은 한정할 필요가 없다.
한편 파인 메탈 마스크로서 적합하게 사용되기 위하여, 열처리 후의 철-니켈 합금박은 3ppm/℃ 이하의 열팽창계수, 30㎚ 이상 100㎚ 이하의 평균 결정립 크기, 0.7㎬ 이상의 인장강도 및 190~250Hv 의 경도를 가질 수 있다. 연속 열처리로의 열처리 온도를 적절히 제어함으로써, 열처리 후의 철-니켈 합금박의 평균 결정립 크기, 인장강도 및 열팽창계수의 인자를 조절할 수 있다. 특히 제 2 가열구간을 380~600℃ 범위의 열처리 온도로 열처리하면, 위 조건을 충족하는 열팽창계수, 평균 결정립 크기, 인장강도 및 경도를 가지는 철-니켈 합금박을 얻을 수 있다.
열처리 후의 철-니켈 합금박의 열팽창계수가 3ppm/℃ 를 초과하는 경우, 박막 트랜지스터가 형성된 유리 기판과의 열팽창 정도의 차이가 너무 커지게 된다. 이 때문에 유기발광다이오드의 제조 시 열을 통한 증착 과정 중에 유리기판과 파인 메탈 마스크가 동시에 가열될 때, 파인 메탈 마스크에 상당한 길이 변화가 발생해 유리 기판의 박막 트랜지스터 상의 정확한 위치에 유기물이 증착되기 어렵게 된다. 따라서 상기 열팽창계수는 3ppm/℃ 이하인 것이 바람직하고, 1ppm/℃ 이하인 것이 보다 바람직하다. 그리고 상기 열팽창계수는 하기 식 2 를 이용하여 쉽게 계산할 수 있다.
[식 2]
열팽창계수(CTE, ppm/℃) = [ΔL / (Lref·ΔT)]
(여기서, ΔL : 변화 온도 구간에서의 길이 변화량, Lref : 샘플의기준 길이, ΔT : 온도 변화량)
또한 실제 통상적인 유기발광다이오드의 제조공정에서는 파인 메탈 마스크는 제조라인에 고정되고 온도가 다른 유리 기판이 새로이 투입된다. 이때 온도가 다른 유리 기판이 증착 챔버 내로 새로 투입되는 과정에서 온도 차이로 인해 파인 메탈 마스크의 길이 변화가 발생할 수 있고, 이로 인해 유기발광다이오드의 불량이 발생할 확률이 높아질 수 있다. 따라서 상기 열팽창계수는 낮을수록 유기발광다이오드 제조에 유리하므로 그 하한은 특별히 한정하지 않는다. 특히, 상기 열팽창계수가 0ppm/℃ 이면 보다 바람직하다.
한편 철-니켈 합금박의 열처리 후 상기 철-니켈 합금박의 평균 결정립 크기가 30㎚ 이상 100㎚ 이하일 수 있다. 충분하지 않은 열처리로 인하여 상기 열처리 후의 철-니켈 합금박의 평균 결정립 크기가 30㎚ 미만으로 지나치게 작은 경우 철-니켈 합금박의 열팽창율이 커지는 문제가 발생할 수 있다. 반면에 열처리에 따른 결정립 성장으로 인하여 상기 열처리 후의 철-니켈 합금박의 평균 결정립 크기가 100㎚ 를 초과하여 지나치게 커지는 경우 강도 및 경도가 지나치게 낮아질 우려가 있다. 상기 평균 결정립 크기는 열처리 후 상기 철-니켈 합금박에 대해 X-Ray 회절 분석을 실시하고, 상기 분석에 의한 회절 피크의 반가폭(FWHM, full width at half maximum)을 이용하여, Scherrer 식을 사용하여 쉽게 계산할 수 있다.
열처리 후의 철-니켈 합금박의 인장강도가 지나치게 작을 경우, 파인 메탈 마스크의 제조공정에서 덴트, 구김, 판파단 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 상기 열처리 후의 철-니켈 합금박의 인장강도는 0.7㎬ 이상인 것이 바람직하다. 반면, 열처리 후의 철-니켈 합금박의 인장강도가 커져도 파인 메탈 마스크의 제조공정에서 특별한 문제가 발생하지 않으므로, 상기 열처리 후의 철-니켈 합금박의 인장강도의 상한은 특별히 한정하지 않을 수 있다.
철-니켈 합금박의 열처리 후 상기 철-니켈 합금박의 경도가 190~250Hv 수 있다. 충분하지 않은 열처리로 인하여 상기 열처리 후의 철-니켈 합금박의 경도가 250Hv보다 큰 경우 철-니켈 합금박의 열팽창율이 커지는 문제가 발생할 수 있다. 반면에 열처리에 따른 결정립 성장으로 인하여 상기 열처리 후의 철-니켈 합금박의 경도가 190Hv 미만일 경우 파인 메탈 마스크의 제조공정에서 덴트, 구김, 판파단 등의 문제가 발생할 우려가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
먼저 전주도금법을 이용하여 Ni 함량이 40중량%인 30㎛ 두께의 철-니켈 합금박을 제조하였다. 이후 상기 철-니켈 합금박을 연속 열처리로의 인입부에서 권취부까지 연결하여 연속적으로 열처리를 실시하였다. 이때 연속 열처리로에서의 구간별 가열조건을 표 1 에 나타내었다(Zone 1: 제 1 가열구간, Zone 2: 제 2 가열구간, Zone 3: 냉각구간).
그리고 열처리 후의 철-니켈 합금박에 대해 아래의 평가방법에 따라 평균 결정립 크기, 인장강도, 평탄도 및 열팽창계수를 측정하였고, 경도는 비커스 방식으로 10점을 측정하고 그 평균값을 구하였다. 또한 주름은 육안으로 관찰하여 주름 발생 여부를 확인하였으며, 그 결과를 하기 표 1 에 나타내었다.
1. 평균 결정립 크기
X-Ray 회절 분석에 의한 회절 피크의 반가폭(FWHM, full width at half maximum)을 이용하여, 결정립 크기를 Scherrer식*을 사용하여 계산하였다.
* B.D.Cullity; Elements of X-Ray diffraction, (2nd ed., Addison-Wesley Pub., 1978) 102.
2. 인장강도
ASTM-SUB 기준으로 시편을 제작하여 strain speed 1㎛/sec 기준으로 미세 인장 시험기를 이용하여 측정하였다.
3. 평탄도(Waviness)
평탄도는 측정 후 하기 식 1 을 이용하여 계산하였다.
[식 1] Waviness (I-unit) = [ (L-Lref) / Lref ] × 105
(여기서, L : 샘플의 펼침 길이, Lref : 샘플의 기준 길이)
4. 열팽창계수(CTE)
열팽창율은 측정 후 하기 식 2 를 이용하여 계산하였다.
[식 2] CTE(ppm/℃) = [ΔL / (Lref·ΔT)]
(여기서, ΔL : 변화 온도 구간에서의 길이 변화량, Lref : 샘플의 기준 길이, ΔT : 온도 변화량)
구분 온도 (℃) Waviness
(I-unit)		 결정립 크기 (nm) CTE
(㎛/m℃)		 인장강도
(MPa)		 경도
(Hv)		 주름 유무 비고
Zone
1		 Zone
2		 Zone
3
비교예1 400 400 400 7.84 47.2 2.3 798 215 ○ 제품불가
비교예2 350 400 400 7.12 48.1 2.4 804 220 ○ 제품불가
비교예3 350 400 350 6.78 46.9 2.5 820 218 ○ 제품불가
비교예4 350 350 350 5.35 43.3 3.4 930 288 ○ 제품불가
비교예5 345 360 345 1.11 44.5 3.2 892 276 × 제품불가
비교예6 345 370 345 1.15 45.3 3.1 852 266 × 제품불가
비교예7 345 700 345 1.38 55.6 0.1 603 174 × 제품불가
비교예8 290 400 345 3.54 47.6 2.5 802 218 ○ 제품불가
발명예1 345 380 345 1.22 46.2 2.8 840 243 × 제품가능
발명예2 345 400 345 1.26 48.1 2.4 792 223 × 제품가능
발명예3 345 500 345 1.24 48.6 1.6 750 208 × 제품가능
발명예4 345 600 345 1.28 49.7 0.7 707 196 × 제품가능
발명예5 345 600 200 1.30 51.2 0.6 712 192 × 제품가능
발명예6 300 600 345 1.25 49.8 0.6 720 199 × 제품가능
본 발명의 조건에 따라 연속 열처리로의 제 1 가열 구간은 300~345℃ 범위 내에서 제어하고, 제 2 가열구간은 380~600℃ 범위 내에서 제어하며, 냉각구간은 200~345℃ 범위 내로 제어한 발명예 1 내지 6 에서는 철-니켈 합금박의 평탄도가 현저하게 개선되어 평탄도 1.5 이하를 모두 만족하였고, 주름도 발생하지 않아 철-니켈 합금박의 손상을 최소화 할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 열팽창계수(CTE), 평균 결정립 크기, 인장강도 및 경도도 모두 본 발명의 범위를 만족하는 양호한 철-니켈 합금박을 얻을 수 있었다.
반면 각 가열구간 별 열처리 온도가 본 발명의 조건에서 벗어난 경우인 비교예 1 내지 8 을 보면, 비교예 1 내지 4 및 8 에서는 평탄도가 1.5 이상을 나타내었고 모두 철-니켈 합금박에 주름이 발생하여 파인 메탈 마스크용 소재로 사용하기 부적합한 특성을 보였다. 제 2 가열구간의 온도가 높게 설정된 비교예 4 내지 7 과 관련하여, 비교예 4 내지 6 에서는 열팽창계수가 3ppm/℃ 을 초과하였으며, 비교예 7 은 경도가 너무 낮아지는 문제가 발생하였다.
도 6 에는 철-니켈 합금박의 열처리 후 판형상을 나타낸 사진이 도시되어 있다. (a) 는 비교예 1 의 경우로서 연속 열처리로의 온도를 균일하게(Zone 1: 400℃, Zone 2: 400℃, Zone 3: 400℃) 유지하고 열처리 진행한 경우이며, (b) 는 발명예 2 의 경우로서 제 1 가열구간 온도를 345℃, 제 2 가열구간 온도를 400℃, 냉각구간 온도를 345℃ 로 제어하여 진행한 경우이다. 상기 연속 열처리로의 구간별 온도를 균일하게 유지한 채로 열처리를 진행 할 경우, 철-니켈 합금박이 열팽창/수축이 급격하게 발생하게 되고, 버클링이 발생하여 판 형상에 변형이 일어나고, 이로 인해 철-니켈 합금박에 부분적으로 말림(Curl)이 발생하여 평탄도가 저해된다. 따라서 도 6 (a) 와 같이 사선 방향으로 빗살무늬와 같은 영구 변형이 발생하게 된다. 반면에 본 발명의 제조방법에 따라 단계적으로 열처리한 경우(도 6 (b)) 판 형상이 우수한 것을 확인할 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의기술자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 연속 열처리로 인입부 텐션 조절기
2 연속 열처리로
3 권취부

Claims (7)

  1. 철-니켈 합금박의 제조방법으로서,
    전주도금법(Electroforming)을 이용하여, 중량%로, Ni: 34~46%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 두께가 40㎛ 이하(0㎛ 제외)인 철-니켈 합금박을 제조하는 철-니켈 합금박 제조단계; 및
    연속 열처리로를 통해 상기 철-니켈 합금박을 열처리하는 열처리 단계;
    를 포함하고,
    상기 열처리 단계는 300~345℃ 온도범위의 제 1 가열구간에서 5분 이상 열처리하는 제 1 열처리 단계 및 380~600℃ 온도범위의 제 2 가열구간에서 열처리하는 제 2 열처리 단계를 포함하는 철-니켈 합금박의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리 단계 이후 및 200~345℃ 온도범위의 냉각구간에서 냉각되는 냉각 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철-니켈 합금박의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 철-니켈 합금박의 열처리 후 하기 식 1 에 의해 계산되는 상기 철-니켈 합금박의 평탄도(I-unit)가 1.5 이하인 것을 특징으로 하는 철-니켈 합금박의 제조방법.
    [식 1]
    Waviness (I-unit) = [(L-Lref) / Lref] × 105
    (여기서, L : 샘플의 펼침 길이, Lref : 샘플의 기준 길이)
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 철-니켈 합금박의 열처리 후 상기 철-니켈 합금박의 열팽창계수가 3ppm/℃ 이하인 것을 특징으로 하는 철-니켈 합금박의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 철-니켈 합금박의 열처리 후 상기 철-니켈 합금박의 평균 결정립 크기가 30㎚ 이상 100㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 철-니켈 합금박의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 철-니켈 합금박의 열처리 후 상기 철-니켈 합금박의 인장강도가 0.7㎬ 이상인 것을 특징으로 하는 철-니켈 합금박의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 철-니켈 합금박의 열처리 후 상기 철-니켈 합금박의 경도가 190~250Hv 인 것을 특징으로 하는 철-니켈 합금박의 제조방법.
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