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Invar는 철-니켈 합금 중 한 합금으로서 철(64%) - 니켈(36%)의 특정조성을 갖는 합금인데, 이 조성의 철-니켈 합금은 열팽창계수가 약 정도여서 금속이라 하기 어려울 정도로 낮은 수준을 가진다. 이러한 특성을 가진 Invar를 이용한 제품들은 주로 열적 변화가 많은 환경에 노출되어지는 산업, 즉 우주항공이나 전자제품, 정밀기계, 계측장치 등에 사용되어진다. 특히 디스플레이어의 필수 부품인 shadow mask 역시 Invar로 만들어지므로 최근 각광받고 있는 ...

Invar는 철-니켈 합금 중 한 합금으로서 철(64%) - 니켈(36%)의 특정조성을 갖는 합금인데, 이 조성의 철-니켈 합금은 열팽창계수가 약 정도여서 금속이라 하기 어려울 정도로 낮은 수준을 가진다. 이러한 특성을 가진 Invar를 이용한 제품들은 주로 열적 변화가 많은 환경에 노출되어지는 산업, 즉 우주항공이나 전자제품, 정밀기계, 계측장치 등에 사용되어진다. 특히 디스플레이어의 필수 부품인 shadow mask 역시 Invar로 만들어지므로 최근 각광받고 있는 LED 디스플레이어의 제작에도 적용되어진다. 그러나 기존의 Invar제품은 모두 주조와 기계가공으로 제작한 반면, 전기도금을 이용한 전주 Invar 제품은 아직까지 실용화되지 못하고 있다. 이에 대한 가장 큰 이유는 철-니켈 합금도금에서 철의 비중이 높아질수록 도금층의 Invar합금조성을 재현성 있게 유지하기 힘들 뿐 아니라, 도금층의 잔류응력이 너무 커서, 두께가 수백 ㎛에서 수 mm까지 요구되는 정밀 Invar전주제작이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 향후 LED 디스플레이어 제작용 부품 중 저열팽창계수가 요구되는 두께 수백㎛의 정밀 shadow mask에 적용하기 위한 저응력 Invar 합금전주 공정개발을 목표로 하였다. 이를 위해 Invar 합금도금 용액으로 Ni-sulfate/Fe-sulfate 욕과 Ni-sulfamate/Fe-chloride 욕 두 가지를 선택하여 이들에 대해 Ni농도, Ni2+/Fe2+, 온도, 그리고 도금전류로서 DC와 pulse전류 등 다양한 변수들을 비교하여 최적 도금용액조성과 최적 도금조건을 조사하였다. DC전류의 경우 Invar조성을 얻기 위한 도금액의 조성은 Ni-sulfate/Fe-sulfate 욕의 경우 Ni2+와 Fe2+ 농도가 각각 12.5 g/ℓ 와 5 g/ℓ, 반면 Ni-sulfamate/Fe-chloride 욕에서는 Ni2+ 와 Fe2+ 농도가 각각 30 g/ℓ 와 5 g/ℓ였다. 그리고 nickel sulfamate 욕은 nickel sulfate 욕과는 달리 고온(50℃)에서 64wt%의 높은 철함유량을 얻기 어려워 온도가 낮은 25℃에서 도금하였다. 또한 같은 Invar도금층의 잔류응력을 비교한 결과 순수니켈도금과는 달리 nickel sulfamate욕의 잔류응력(70ksi)이 nickel sulfate욕(40ksi)보다 훨씬 높게 나타났다. 따라서 이후의 실험은 nickel sulfate욕으로 실시하였다. Nickel sulfate욕에서 펄스전류를 적용한 결과 DC에 비해 철도금 효율이 상승하였고, 또한 도금층의 철함량 재현성이 훨씬 높게 나왔다. 실험결과 Invar조성을 얻기 위한 도금액조성은 12.5 g/ℓ Ni2+ 와 4.5 g/ℓ Fe2+ 그리고 철이온의 산화를 방지하기위한 Ascorbic acid 1 g/ℓ와 붕산 30 g/ℓ였다. 최적 펄스도금조건은 Duty Cycle 67%, 평균전류밀도는 20㎃/㎠였으며 도금온도는 50℃였다. 또한, XRD 측정결과 본 실험에서 얻어진 Invar합금의 결정구조는 모두 100% FCC였다. Invar 합금도금층의 잔류응력은 nickel sulfamate 욕에서는 70ksi, 반면 nickel sulfate 욕은 약 40ksi로 전자에 비해 현저히 낮게 나타났다. 그러나 잔류응력 40ksi는 너무 높아 멘드릴에서 Invar도금층을 분리하게 되면 도금층이 부서져 버리므로 견고한 Invar합금전주층을 얻을 수 없다. 따라서 Invar전주를 실용화하기 위해서는 Invar합금도금층의 잔류응력을 감소시키는 연구가 진행되어야 할 것이다.