KR20160077465A - 말림 방지 특성이 우수한 철-니켈 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기발광다이오드(OLED), 이차전지, 태양전지 등의 전자소자에 사용되는 Fe-Ni 합금과 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

말림 방지 특성이 우수한 철-니켈 합금 및 그 제조방법{Fe-Ni ALLOY HAVING EXCELLENT CURL PREVENTING PROPERTY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 유기발광다이오드(OLED), 이차전지, 태양전지 등의 전자소자에 사용되는 Fe-Ni 합금과 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Fe-Ni 합금은 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)가 낮아, 유기발광다이오드의 봉지재 및 FMM(fine metal mask)으로 이용되기도 하며, 이차전지의 집전체나 전자소자의 기판으로 각광받고 있는 상황이다.

한편, 상기 Fe-Ni 합금을 제조하는 방법으로는 철과 니켈을 잉곳(ingot)으로 주조하고, 압연과 소둔을 반복하여 박막으로 만드는 방법이 있다. 이렇게 제조된 Fe-Ni 합금은 신장율이 높고, 표면이 평활하기 때문에 크랙이 발생되지 않는 장점이 있다. 그러나, 상기 방법에 의하면, 제조시의 기계적인 제약에 의해 Fe-Ni 합금의 폭이 1m 이상인 것은 제조하기 곤란하며, 일정한 두께 이하로는 제조하는 것이 쉽지 않기 때문에 제조비용이 많이 드는 단점이 있다.

최근 디스플레이나 전자소자의 박막화 경향에 부응하기 위해서는 경제적으로 Fe-Ni 합금 박막을 제공할 수 있어야 한다. 따라서, 낮은 제조비용으로 두께를 비교적 용이하게 조절할 수 있는 Fe-Ni 합금 제조방법으로 전주법(EF, Electro-Forming)이 부각되고 있다.

상기 전주법을 이용한 Fe-Ni 합금 제조는 전해액을 수용하는 전해조 내에 설치된 드럼 또는 벨트 형식의 음극과, 상기 음극에 대향하는 한쌍의 원호 형상의 양극을 설치하고, 급액 노즐을 통해 전해액을 계속적으로 공급하면서, 전류를 통전하여 음극 드럼의 표면에 Fe-Ni 합금을 전착시키는 방법으로 행해진다.

한편, 상기 Fe-Ni 합금 박막의 경우에 컬(curl)이라고 불리는 말림이 발생하는데, 이렇게 말림 특성이 크게 되면, 식각(etching) 과정의 포토레지스트(photoresist) 코팅 등의 공정에서 정밀 기기에 손상을 줄 수 있고, 패터닝이 일정하게 되지 않는 문제점이 발생할 수 있다.

본 발명의 일측면은 전주법(EF)를 이용하여 제조된 Fe-Ni 합금으로서, 말림 방지 특성이 우수한 철-니켈 합금 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일태양은 전주법(EF)을 이용하여 철-니켈(Fe-Ni) 합금을 제조하는 단계; 및

상기 철-니켈 합금을 300~400℃의 온도로 1~60분간 열처리하는 단계를 포함하는 말림 방지 특성이 우수한 철-니켈 합금의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 또다른 일태양은 전주법(EF)으로 제조된 철-니켈 합금으로, 결정립의 크기가 15~100㎚인 말림 방지 특성이 우수한 철-니켈 합금을 제공한다.

본 발명의 Fe-Ni 합금 박막은 열처리 과정을 통하여 조직의 치밀해지고, 내부응력을 최소화시켜 말림이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 낮은 원가로 압연 방식을 통해 제조된 Fe-Ni 합금 박막 대비, 동등 수준의 말림(curl) 발생 방지 특성을 갖는 디스플레이, 전지 등 전자소자를 구현하는 것이 가능하다.

전주법(Electroforming, EF)으로 제조되는 Fe-Ni 합금은 나노 결정질을 갖는 재료로서, 결정립의 크기가 10㎚ 내외의 사이즈를 갖는다. 이러한 나노 결정립의 Fe-Ni 합금은 종래 압연 공정으로 제조되는 동일 조성의 압연재보다 높은 기계적 특성을 갖는다. 그러나, 이러한 나노 사이즈의 결정립을 갖는 Fe-Ni 합금은 특정 온도에서 결정 구조의 변화로 인하여 급격한 열적 거동을 보이는 문제점을 지니고 있다. 일반적으로 전주법(EF)을 통하여 제조된 Fe-Ni 합금은 화학적 방법으로 원자들이 결합되고 공정 중에 추가되는 첨가재 등에 의해서 압연재 대비 원자의 치밀도가 떨어질 수 있다. 또한 확산과정이 없으므로 내부응력이 커지게 되어, 컬(curl)이라고도 불리는 말림 현상이 발생할 가능성이 높다.

이에 본 발명의 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 연구한 결과, 본 발명을 도출하게 된 것이다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 먼저, 본 발명의 Fe-Ni 합금의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 Fe-Ni 합금을 제조하는 방법은 먼저, 철-니켈 합금을 전주법(EF)으로 제조한다. 전주법은 전해액을 수용하는 전해조에 음극과 양극을 설치하고, 전류장치를 통해 전위를 가함으로써, 음극의 표면에 Fe-Ni 합금이 전착되도록 함으로써 제조하는 것이다.

상기 전주법으로 Fe-Ni 합금을 제조하는 방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 바람직한 일예로는 철 농도가 1~40g/L, 니켈 농도가 5~80g/L, pH 안정제 5~40g/L, 응력완화제 1.0~20g/L, 전도보조제 5~40g/L, Fe 환원제 0.2~3.5g/L를 포함하며, 전주시 공정조건은 전해액의 pH가 1.0~5.0, 전해액 온도 40~90℃, 전류밀도 1~80A/d㎡, 유속 0.2~5m/sec의 조건으로 행한다.

전주법으로 제조되는 Fe-Ni 합금은 전해액 내부의 Fe, Ni의 농도뿐만 아니라, 전류밀도, 유속, 첨가제 등의 종류와 함량에 따라 달라진다. 예를 들어, 전해액 내부의 철 농도가 높아지면 합금의 Fe 성분은 높아지며, 전류밀도가 낮아지면 Fe 성분이 높아지는 등의 관계가 있다.

상기 Fe-Ni 합금은 Ni의 함량이 34~64중량%이고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물인 것이 바람직하다. 상기 전해액의 성분과 공정조건을 조절함으로써, Ni 34~64중량%의 Fe-Ni 합금을 제조할 수 있다.

상기 제조된 Fe-Ni 합금에 대해, 300~400℃의 온도로 1~60분간 열처리를 행한다. 상기 열처리를 통해 Fe-Ni 합금 조직의 안정화를 도모한다. 즉, 상기 열처리 전의 Fe-Ni 합금은 결정립의 크기가 5~15㎚이나, 상기 열처리를 통해 결정립의 크기가 15~100㎚로 커지게 된다.

전주법으로 제조된 Fe-Ni 합금은 5~15㎚ 정도의 나노 크기의 결정립을 가지게 되므로, 조직 내부의 전위 등이 움직이기 힘든 상태로 제조된다. 상기 열처리를 행하면 일부 결정립의 성장이 일어나며, 전위의 상태가 재배열되므로 내부 응력이 해소된다. 즉, 300℃ 미만 또는 1분 미만의 열처리를 행하게 되면 충분한 결정립과 전위의 배열이 일어나지 않으므로, 충분한 내부 응력의 해소가 되지 못하나, 과도하게 높은 온도 내지 장시간의 열처리에서는 비정상 결정립들이 자라나게 되어, 강도가 저하되는 문제가 발생한다.

이하, 본 발명의 Fe-Ni 합금에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 Fe-Ni합금은 Ni가 34~64중량%이고, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 Fe-Ni 합금은 결정립의 크기가 15~100㎚인 것이 바람직하다. 앞서 언급한 바와 같이, 전주법으로 제조된 Fe-Ni 합금은 결정립 크기가 10㎚ 수준의 사이즈이어서, 전위의 배열이 일어나지기 힘들고, 내부 응력에 의한 말림 현상이 발생하게 된다. 그러나, 본 발명의 Fe-Ni 합금은 열처리를 통해 결정립의 크기가 15~100㎚ 수준으로 성장하게 되고, 이로 인해 강도의 저하는 최소화되면서, 말림 현상이 억제된 Fe-Ni 합금을 제조할 수 있다. 상기 결정립의 크기가 과도하게 커지면 오히려 강도가 저하되는 문제가 발생한다.

본 발명의 Fe-Ni 합금은 말림 발생이 저감되는 특성이 있다. 본 발명에서는이를 측정하기 위해, Fe-Ni 합금을 100 X 100㎜의 사이즈로 시편을 만들었을 때, 수평으로 올라오는 높이가 5㎜ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 Fe-Ni 합금의 두께는 0.001~0.1㎜인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

(실시예)

먼저, 전주법(EF)을 이용하여, Fe-Ni 합금 박막을 제조하였다. Fe 농도 17g/L, Ni 농도 35g/L, 첨가제로서 응력완화제 5g/L, 전도보조제 20g/L, 산화방지제 1.0g/L를 포함하는 전해액을 준비한 후, pH 2.0, 전류밀도 25A/d㎡, 온도 65℃, 유속 1.0m/s의 조건으로, 타이타늄으로 된 원통형의 음극에 Fe-Ni 합금 박막을 제조한 후, 이를 박리시키는 방식으로, 전주법을 이용하여 20㎛ 두께의 Fe-42wt%Ni 합금 박막을 제조하였다.

상기 제조된 Fe-Ni 합금 박막에 대해, 하기 표 1의 조건을 열처리를 실시하였고, 각 시편의 말림 현상과 인장강도를 측정하여 그 결과를 표 1에 함께 나타내었다. 본 발명의 말림 현상은 100 X 100㎜의 사이즈로 시편을 만들었을 때, 수평으로 올라온 높이를 측정하였다.

구분	열처리 조건		평균 결정립 크기(㎚)	말림 높이(㎜)	인장강도(GPa)
	온도(℃)	시간(분)
비교예 1	-	-	7.1	6	1.3
발명예 1	300	10	18.1	1	1.2
발명예 2	350	10	30.1	<1	1.1
발명예 3	350	30	35.4	<1	1.1
발명예 4	400	10	86.3	<1	1.0
비교예 2	500	15	460.1	<1	0.5

상기 표 1의 결과에 나타난 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명예에서는 조직의 안정화를 통해 Fe-Ni 합금의 말림 높이가 5㎜ 이하인 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 열처리를 행하지 않은 비교예 1에서는 말림 높이가 6㎜가 발생하는 것을 확인할 수 있었고, 본 발명에서 제시한 온도를 초과하여 열처리를 행한 비교예 2에서는 말림이 발생하지는 않았으나, 강도가 급격히 저하되는 문제가 있음을 발견할 수 있었다.

Claims (7)

1. 전주법(EF)을 이용하여 철-니켈(Fe-Ni) 합금을 제조하는 단계; 및
   상기 철-니켈 합금을 300~400℃의 온도로 1~60분간 열처리하는 단계
   를 포함하는 말림 방지 특성이 우수한 철-니켈 합금의 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 열처리 전의 철-니켈 합금의 결정립 크기는 5~15㎚인 철-니켈 합금의 말림 방지 특성이 우수한 철-니켈 합금의 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 철-니켈 합금은 니켈(Ni)이 34~46중량%이고, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 말림 방지 특성이 우수한 철-니켈 합금의 제조방법.
   
4. 전주법(EF)으로 제조된 철-니켈 합금으로, 결정립의 크기가 15~100㎚인 말림 방지 특성이 우수한 철-니켈 합금.
   
5. 상기 청구항 4에 있어서,
   상기 철-니켈 합금은 니켈(Ni)이 34~46중량%이고, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 말림 방지 특성이 우수한 철-니켈 합금.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 철-니켈 합금 100 X 100㎜의 사이즈로 시편을 만들었을 때, 수평으로 올라오는 높이가 5㎜ 이하인 말림 방지 특성이 우수한 철-니켈 합금.
   
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 철-니켈 합금의 두께는 0.001~0.1㎜인 말림 방지 특성이 우수한 철-니켈 합금.