초정밀 전기화학 융합공정을 적용한 고해상도 OLED용 디스플레이 shadow mask 제작 공정에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

전기화학융합가공은 전기의 용해작용을 이용하여 구멍가공, 금형조각가공, 연삭가공, 절단 가공등과 같은 ECM(Electrochemical machining)방법을 말하며, 페러데이(faraday)의 전기 분해법칙을 근거로 제작된 것으로 일반적인 도금장치와는 반대의 화학 작용이 적용된다. 가공물을 양극 공구를 음극에 연결하여 전류가 통하는 전해액 속에 담근 후 전압을 인가하면 양극 가공물에서는 산화반응이 음극에서는 환원반응이 일어난다.
전기화학융합가공은 기존가공에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있으며 다음과 같다; ①전기분해가 되는 재료면 어느 것이나 가공이 가능하다; ②재료의 강도 및 경도는 가공에 영향을 주지 않는다; ③가공 종류에 따라 정밀가공은 절삭 가공보다 가공속도가 빠르다; ④절삭가공 시 절삭공구에 해당하는 전극의 소
모가 거의 없다; ⑤복잡한 형상의 가공에 효과적이다.
전기화학융합가공에서 가공에 영향을 미치는 주된 변수는 전압, 전류밀도, 간극, 펄스 on-off time, 전해액 등이 있다. 가공하려는 형상과 재료의 재질에 따라 실험 조건이 달라지기 때문에 최적의 조건을 선정하기 위한 기초 실험이 필요하다.
본 연구에서는, 초정밀 전기화학융합가공을 적용하여 고해상도 OLED 디스플레이에 사용되는 shadow mask 제작에 관한 연구가 진행되었다. 현재 OLED용 shadow mask에 사용되는 5.5인치 invar 박판을 적용하였으며 기초 실험들부터 진행하여 필요한 실험 조건들을 선정하였다. 먼저, invar 박판에 적용 가능한 전해액 선정을 위해 다른 공정 조건들을 고정시킨 채, 전해액을 주요 변수로 하여 invar 박판 표면에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 각각의 조건에 따른 invar 박판 표면의 상태 변화 및 가공형상 분석하였고, 가공 중에 발생하는 부동태에 따른 전기화학 가공성을 평가하였다.
두 번째로, OLED shadow mask 제작을 위한 미세 다발 전극이 제작 되었고, 펄스전기화학에 적용하여 가공경향을 분석하였다. 50㎛×80㎛ 크기의 미세 전극은 초정밀 머시닝센터를 이용하여 제작 되었으며, 전극 어레이의 크기는 40×40×10mm이다. 그리고 나서, 미세 전극 표면에 전류밀도를 집중시키기 위
해 전극표면을 테프론으로 코팅하고 래핑 공정을 미세 전극들이 돌출 될 때까지 진행하였다. 직사각형 형상의 미세 패턴을 가진 미세다발 전극이 제작되었고, 이전 실험에서 선정된 전해액이 적용된 전기화학융합 가공 실험이 진행되었다.
마지막 실험으로, OLED shadow mask제작을 위해 패턴 코팅된 인바박판에 와이어 메쉬전극을 적용한 초정밀 전기화학융합가공에 대한 연구가 진행되었다. 먼저, 간극에 따라 인바박판 표면의 전류밀도 균일성을 수치적 해석을 통해 분석하였다. 그 후, 리소그래피 공정을 통해 60㎛×90㎛크기의 패턴을 인바
박판에 코팅하였다. 마지막으로, 초정밀 전기화학융합 가공에서 평판전극과 메쉬전극의 가공 균일성, 오버컷 그리고 테이퍼 각을 비교 분석하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Electrochemical machining(ECM) is a kind of machining method using the electrical dissolution for hole drilling, die sinking machining, grinding,
cutting. It is based on the faraday` law and opposite with the plating process. Workpiece and tool must be connected to each anode and cathode and then, immersed in electrolyte which is conductive. After that voltage should be applied to anodic workpiece and cathodic tool. The oxidation reactions are generated on the surface of anode and reduction reactions occur on the cathode.
ECM has several advantages, including a cheaper setup, no tool wear, no residual stress, higher machining rate, better precision, and applicability to any conductive material, regardless of hardness.
The main parameters influencing results in the PECM are applied voltage, current density, IEG, pulse on/off-time, and electrolyte. The pilot experiment is necessary for optical machining condition in PECM on invar alloy because machining condition are determined depending on the material and shape of workpiece.
In this study, a lot of experiments for fabrication of OLED shadow mask using PECM has been carried out. 5.5 inch size of invar fine sheet which is currently used in OLED display industry has been applied, and the machining conditions are determined through the pilot experiments. First of all, in order to determine the optical electrolyte in PECM on invar alloy, electrolyte was considered as a main parameter and other parameters such as applied voltage, current, pulse on/off-time and IEG have been fixed. The characteristics of the electrolyte in PECM on invar alloy has been studied. Four electrolytes were applied in PECM, and the electrical conductivities in different concentration of each electrolyte have been
investigated. The electrical machinability depending on electrolyte and the pulse wave of each electrolyte during PECM have been investigated. Lastly, the surface status of invar alloy after PECM using each electrolyte was analyzed.
Second, multi-electrodes array for OLED shadow mask has been produced and applied to PECM for investigating the processing tendency. The 50㎛×80㎛ size of multi-electrodes was fabricated by ultra precision machining center, the size of the electrodes array is 40×40×10mm. Then, after conducting the teflon coating on the surface of electrodes array to focus the current density to the surface of micro electrodes, lapping was carried out until the extruded micro electrodes was exposed. Lastly, the multi-electrodes array with micro-patterns of the rectangular shape was produced. The experiment using the multi-electrodes was carried out with the electrolyte solution applied in a previous experiment and identified by the processing tendency. For the last experiment, the study on PECM for fabrication of OLED shadow mask with patterned invar fine sheet using wire mesh electrode has been conducted. First, the current density distribution on surface of invar fine sheet for different inter-electrode gaps was analyzed through the numerical analysis. Second, invar fine sheet was coated with DFR film including the 60㎛X90㎛ rectangular pattern through the lithography process. Finally, the machining uniformity, overcut and taper angle of hole by plate and mesh electrodes have been compared and analyzed.

목차 (Table of Contents)

• Table of Contents
• Abstract ⅰ
• Contents ⅳ
• List of Figures ⅵ
• List of Tables ⅸ
• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Background of Study 1
• 1.2 Purpose of the Study 4
• Chapter 2 OLED shadow mask 6
• 2.1 Material of OLED shadow mask 6
• 2.2 Characteristics of OLED shadow mask 6
• Chapter 3 Selection of electrolyte in PECM on invar alloy 10
• 3.1 Theory of pulsed electrochemical machining 11
• 3.2 Experiment using acetic acid 12
• 3.2.1 Experiment set-up 12
• 3.2.2 Results and discussion 13
• 3.3 Experimental set-up for selection of electrolyte 14
• 3.3.1 The electrical conductivity of electrolytes 14
• 3.3.2 Experimental set-up 15
• 3.4 Experiment Results and Discussion 16
• 3.4.1 Machining conditions for invar fine sheet 16
• 3.4.2 Electrochemical machinability of each electrolytes 17
• 3.4.3 Measurement the dissolved surface on invar fine sheet 18
• Chapter 4 Application of multi-electrodes array for OLED shadow mask 37
• 4.1 Fabrication of multi-electrodes array 37
• 4.2 Experiment Set-up 37
• 4.2.1 Design and fabrication of the experiment system 37
• 4.2.2 Experiment Set-up for multi-electrodes array 38
• 4.3 Experiment Results and Discussion 39
• Chapter 5 Application of mesh type electrode for PECM on widely patterned invar fine sheet 52
• 5.1 Analysis of the current density distribution on surface of Invar fine sheet with different inter-electrode gaps 52
• 5.1.1 Model definition 52
• 5.1.2 Model solution 54
• 5.2 Experiment Set-up 55
• 5.2.1 Photolithography on invar fine sheet with micro-sized through holes 55
• 5.2.2 Experiment Set-up 55
• 5.3 Experimental Results and Discussion 57
• 5.3.1 Machining conditions for invar fine sheet in PECM 57
• 5.3.2 Comparison of plate and mesh electrode in PECM on invar fine sheet 58
• 5.3.3 Uniformity of micro hole arrays after PECM using plate and mesh electrode 58
• 5.3.4 Overcut of hole after PECM using plate and mesh electrode 60
• 5.3.5 Taper angle of hole after PECM using plate and mesh electrode 61
• Chapter 6 Conclusion 82
• References 85