전주도금으로 형성된 Fe-Ni 합금 박막의 구조적 및 열적 특성에 관한 연구 = A study on the Structural and Thermal Characteristics of Fe-Ni Alloy Films by Electroplating

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In OLED display manufacturing, the fine metal mask (FMM) is essential for high-resolution patterning of RGB organic materials, and the use of ultra-low thermal expansion materials such as Invar is required to minimize thermally induced geometric distortion.
However, conventional Invar FMMs are produced through rolling and chemical etching–based metallurgical processes, which inherently generate residual stress, reduced flatness, and thickness non-uniformity during thinning. These limitations impose both technical and economic challenges when fabricating ultrathin films below approximately 50 μm.
Although alternative approaches such as FMM-less and photolithography-based patterning technologies have been proposed, their performance remains insufficient to meet the demands of large-area, high-precision deposition processes.
Therefore, next-generation ultra–high-resolution OLED fabrication calls for an advanced FMM manufacturing technology that enables thinner and thermally stable films with improved microstructural controllability.
To address these challenges, this study employed a pulse reverse current (PRC) electroplating process to fabricate ultrathin Fe–Ni Invar films and precisely achieve the target alloy composition of Fe–36 wt% Ni. Unlike DC or conventional pulse plating, PRC incorporates periodic reverse-current intervals, offering advantages including enhanced compositional uniformity, internal stress reduction, defect suppression, and microstructural homogenization. By optimizing saccharin concentration, current density, and waveform parameters, both the composition and microstructure of the electroplated films were effectively controlled.
As a result, uniform Fe–36 wt% Ni films with a thickness of approximately 12 μm were successfully produced. Grain refinement and improved compositional uniformity reduced the coefficient of thermal expansion to as low as 1 ppm/K. To elucidate the correlation between microstructure and CTE, phase evolution and grain size were analyzed using X-ray diffraction and scanning electron microscopy, while thermal expansion behavior was evaluated via thermomechanical analysis. In particular, saccharin-induced suppression of hydrogen incorporation and localized growth was found to promote grain refinement, which significantly influenced structural evolution before and after heat treatment and contributed to CTE reduction.
XRD analysis showed that the as-deposited films exhibited , , and phases, and grain sizes were quantified using the Scherrer equation. After heat treatment, the BCC phase transformed into FCC, yielding ultra-low thermal expansion comparable to metallurgical Invar, with some samples achieving CTE values below 1 ppm/K. Correlation analysis between microstructural parameters (intensity ratio and grain size) and CTE confirmed that the thermal expansion behavior after heat treatment can be predicted from the as-deposited microstructure.
This study establishes the microstructure–thermal property relationship of PRC electroplated Invar films and demonstrates the feasibility of predicting thermal behavior using indicators such as grain size, phase fraction, and XRD intensity ratio. These findings offer a new process pathway for fabricating ultrathin, ultra–low thermal expansion Invar films and provide practical design guidelines for process optimization and quality control in next-generation electroplated Invar FMM manufacturing.

국문 초록 (Abstract)

유기발광다이오드 (OLED) 디스플레이 제조에서 FMM (Fine Metal Mask)은 RGB 유기 재료의 고해상도 패터닝에 필수적이며, 열팽창으로 인한 기하학적 변형을 최소화하기 위해 Invar와 같은 초저 열팽창 소재 적용이 요구된다. 그러나 기존 Invar FMM은 압연 및 화학적 식각 기반의 야금학적 공정으로 제조되기 때문에 박막화 과정에서 잔류응력, 평탄도 저하, 두께 균일성 문제 등이 발생하여 약 50 μm 이하의 초박막 확보에 공정적·경제적 한계가 존재 한다. 이러한 제약을 극복하기 위한 FMM-less 또는 포토리소그래피 기반 대체 기 술이 제안되고 있으나, 대면적·고정밀 증착 공정의 요구사항을 충족하기에는 여전히 미흡하다. 이에 따라 차세대 초고해상도 OLED 제조를 위해서는 보다 얇고 열적으로 안정한 FMM 구현이 가능하면서도 미세 조직 제어 능력이 우 수한 전기도금 기반 박막 제조 기술이 필요하다. 이러한 한계를 해결하고자 PRC (Pulse Reverse Current) 전주도금 공정을 적용하여 매우 얇은 Fe–Ni Invar 박막을 제조하고, 목표 조성인 Fe-36 wt% Ni (Invar 조성)을 정밀하게 구 현하고자 하였다. PRC 공정은 DC 또는 일반 펄스 도금과 달리 주기적인 역전 류 구간을 포함하여, 조성 균일성 향상, 내부응력 저감, 표면 결함 억제, 미세 조직 균일화 등에 유리한 장점을 제공한다. 본 연구에서는 첨가제인 사카린 함량, 전류밀도, 파형 조건을 최적화하여 박 막의 조성과 미세 조직을 정밀하게 제어하였다. 그 결과, 두께 약 12 μm 수준의 균일한 Fe-36 wt% Ni 박막을 안정적으로 제조할 수 있었으며, 결정립 미세화와 조성 균일도 향상을 통해 열팽창 계수 (CTE)를 약 1 ppm/K까지 저감시킬 수 있었다. 미세 조직과 CTE 간의 상관관 계를 규명하기 위해 X선 회절 (XRD)과 주사전자현미경 (SEM)을 활용하여 구 성상 변화와 결정립 크기 등을 분석하였으며, 열기계분석 (TMA)을 이용하여 열팽창 특성을 평가하였다. 특히 사카린 함량 조절을 통해 수소 억제 효과 및 국부 성장 억제 거동을 조절하고, 이로 인한 결정립 미세화가 열처리 전·후 구조 변화 및 CTE 저감에 미치는 영향을 중점적으로 고찰하였다. XRD 분석 결과, 도금 박막은 , , 상을 모두 포 함하였으며 Scherrer equation을 이용해 결정립 크기를 정량적으로 평가하였 다. 열처리 후 박막은 BCC 상이 FCC 상으로 전환되면서 야금학적 Invar과 유 사한 초저 열팽창 특성을 나타냈으며, 일부 시편은 1 ppm/K 이하의 매우 낮 은 CTE를 달성하였다. 미세 조직 변수 (I.R. 및 결정립 크기)와 CTE 간의 상 관관계 분석을 통해, 열처리 전 미세구조만으로도 열처리 후 Invar 특성 발현 가능성을 예측할 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 PRC 전주도금 기반 Invar 박막의 미세 조직–열적 특성의 상관성 을 규명함과 동시에, 결정립 크기 및 BCC와 FCC의 상대 상분율, XRD 기반 I.R. 값을 활용한 공정-특성 예측 가능성을 제시하였다. 이러한 결과는 초저 열팽창·초박막 Invar 제조를 위한 새로운 공정적 접근 을 제안할 뿐만 아니라, 향후 전주도금 기반 Invar FMM 소재의 공정 최적화 및 품질 관리에 활용 가능한 설계 지침으로 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 내용 및 목표 4
• 제2장 이론적 배경 5
• 2.1 FMM (Fine Metal Mask) 5
• 2.2 Invar 7
• 2.3 전주도금 기술 9
• 2.4 인가 전류 파형 11
• 2.5 첨가제 14
• 2.6 LSV (Linear Sweep Voltammetry) 17
• 2.7 XRD (X-ray Diffraction) 19
• 2.8 TMA (ThermoMechanical Analysis) 22
• 제3장 실험방법 23
• 3.1 도금 장치 23
• 3.2 도금액 조성 25
• 3.3 전극 및 기판 준비 27
• 3.4 도금 조건 28
• 3.5 열처리 조건 31
• 3.6 분석 33
• 제4장 결과 및 고찰 34
• 4.1 첨가제에 따른 도금표면 양상 및 조성 34
• 4.2 열처리에 따른 구조적 특성 41
• 4.2.1 XRD 피크 강도비 (Intensity Ratio) 계산 41
• 4.2.2 구조적 특징 비교 42
• 4.3 열처리에 따른 열적 특성 48
• 제5장 결론 53
• Acknowledgements 54
• 참고문헌 55
• ABSTRACT 60