KR101082514B1 - 금속 산화물 조성물, 및 이를 이용한 소결체 및 도전성막 - Google Patents

금속 산화물 조성물, 및 이를 이용한 소결체 및 도전성막 Download PDF

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Abstract

인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn) 및 산소(O)를 포함하고, (In+Ga)/(In+Ga+Ba+Zn)의 원자비(at%)가 15 내지 85 인 금속 산화물 조성물, 및 이를 이용한 소결체 및 도전성막이 제공된다.
인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn), 소결체, 도전성막, 수축률, 투명성, 도전성

Description

금속 산화물 조성물, 및 이를 이용한 소결체 및 도전성막{METAL OXIDE COMPOSITION, AND SINTERED MATERIAL AND CONDUCTING MEMBRANE USING THE SMAE}
본 기재는 금속 산화물 조성물, 및 이를 이용한 소결체 및 도전성막에 관한 것이다.
투명도전성 박막은 전기전도도가 높고 가시광선 투과율이 높아 액정 디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이(PDP), 유기발광 디스플레이(OLED), 터치패널 등에 많이 사용되고 있으며, 전자파 흡수 및 차폐, 발열체, 태양 전지, 정전기 방지 등에도 광범위하게 사용되고 있다.
투명도전성 박막의 제조에 주로 사용되고 있는 재료는 산화인듐 (In2O3)에 산화주석(SnO2)이 3 내지 10 중량%로 도핑된 인듐주석산화물(ITO)이다. ITO막의 제조 방법으로는 분사(spray), 진공기화(vacuum evaporation), 스퍼터링(sputtering), 이온플레이팅(ion plating) 등이 있으며, 상업적으로는 스퍼터링 방법이 많이 이용되고 있다.
상기 방법들로 제조된 ITO막은 투명성 및 도전성이 우수할 뿐만 아니라 에칭성이 우수하고 기판과의 밀착성도 좋아 현재 가장 많이 사용되고 있다. 하지만, 인듐은 희소 자원일 뿐 아니라 생체에 유해하며, ITO 타겟을 스퍼터링할 때 노듈 발생의 원인이 되기도 한다. 이러한 문제 때문에 ITO 중의 인듐을 저감시키거나 ITO를 대체할 수 있는 대체물질에 대한 연구 개발이 요구되고 있다.
이러한 요구에 대응하여 불소 또는 안티모니가 도핑된 산화주석(FTO, ATO)이나, 알루미늄, 갈륨 또는 인듐이 도핑된 산화아연(AZO, GZO, IZO) 등에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명의 일 측면은 수축률이 높아 타겟의 품질이 우수하고, 투명성 및 도전성이 우수하며, 기판과의 접합성이 우수한 금속 산화물 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 측면은 상기 금속 산화물 조성물을 이용한 소결체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 측면은 상기 금속 산화물 조성물을 이용한 도전성막을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면은 인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn) 및 산소(O)를 포함하고, (In+Ga)/(In+Ga+Ba+Zn)의 원자비(at%)가 15 내지 85 인 금속 산화물 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 측면은 인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn) 및 산소(O)를 포함하고, (In+Ga)/(In+Ga+Ba+Zn)의 원자비(at%)가 15 내지 85 인 금속 산화물 조성물을 이용한 소결체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 측면은 인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn) 및 산소(O)를 포함하고, (In+Ga)/(In+Ga+Ba+Zn)의 원자비(at%)가 15 내지 85 인 금속 산화물 조성물을 이용한 도전성막을 제공하기 위한 것이다.
상기 도전성막은 5000 Å 이하의 막 두께를 가질 수 있으며, 비정질 또는 결정질일 수 있다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
일 구현예에 따른 금속 산화물 조성물은 수축률이 높아 타겟의 품질이 우수하고, 투명성 및 도전성이 우수하며, 기판과의 접합성이 우수하여, 액정 디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이(PDP), 유기발광 디스플레이(OLED), 터치패널 등의 전극에 사용될 수 있으며, 또한 전자파 차폐재, 발열체, 태양 전지 등에도 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다.  다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
일 구현예에 따른 금속 산화물 조성물은 인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn) 및 산소(O)를 포함한다.
상기 인듐(In)은 상기 금속 산화물 조성물 총량에 대하여, 즉, 인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn) 및 산소(O)의 원자비(at%) 총량에 대하여 2 내지 20 원자비(at%)로 포함될 수 있다. 또한 상기 갈륨(Ga)은 상기 금속 산화물 조성물 총량에 대하여 2 내지 20 원자비(at%)로 포함될 수 있고, 상기 바륨(Ba)은 상기 금속 산화물 조성물 총량에 대하여 2 내지 10 원자비(at%)로 포함될 수 있으며, 상기 아연(Zn)은 상기 금속 산화물 조성물 총량에 대하여 10 내지 30 원자비(at%)로 포함될 수 있으며, 상기 산소는 상기 금속 산화물 조성물 총량에 대하여 20 내지 80 원자비(at%)로 포함될 수 있다. 인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn) 및 산소(O) 각각이 상기 함량 범위 내로 포함될 경우 투명성 및 도전성이 우수하고 기판과의 접합성이 우수하다.
또한 인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba) 및 아연(Zn)의 원자비(at%) 총량에 대한 인듐(In) 및 갈륨(Ga)의 원자비(at%)는 15 내지 85 일 수 있으며, 구체적으로는 20 내지 80 일 수 있다. 상기 비율의 원자비(at%)를 가질 경우 투명성 및 도전성이 우수하고 기판과의 접합성이 우수하다.
상기 금속 산화물 조성물은 인듐 산화물, 갈륨 산화물, 바륨 산화물 및 아연 산화물의 금속 산화물을 혼합하여 제조될 수 있으며, 구체적으로는 산화인듐(In2O3), 산화갈륨(Ga2O3), 산화바륨(BaO) 및 산화아연(ZnO)의 금속 산화물을 혼합하여 제조될 수 있다.
다른 일 구현예는 전술한 금속 산화물 조성물을 이용한 소결체이다.
상기 소결체는 인듐 산화물, 갈륨 산화물, 바륨 산화물 및 아연 산화물의 금속 산화물을 혼합하여 제조된 금속 산화물 조성물을 금형에 넣고 프레스하여 성형 한 후 열처리하여 소결하는 단계를 거쳐 얻을 수 있다. 상기 열처리는 1000 내지 1700 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
또 다른 일 구현예는 전술한 금속 산화물 조성물을 이용한 도전성막이다.
상기 도전성막은 5000 Å 이하의 막 두께를 가질 수 있으며, 상기 두께 범위를 가질 경우 투명성이 양호하다.
상기 도전성막은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 비정질인 경우에는 유리 기판이나 플라스틱 기판이 비정질임에 따라 접합성이 우수하다.
상기 도전성막의 가시광선 투과율은 80% 이상일 수 있다.
상기 도전성막은 유리, 세라믹 또는 플라스틱 소재의 표면에 전술한 금속 산화물 조성물을 코팅하여 얻을 수 있다.
상기 도전성막은 구체적으로 인듐 산화물, 갈륨 산화물, 바륨 산화물 및 아연 산화물의 금속 산화물을 혼합하여 제조된 금속 산화물 조성물을 열처리하여 소결체를 얻은 후, 상기 소결체를 스퍼터링하여 기판에 성막하는 단계를 거쳐 제조될 수 있다.
전술한 금속 산화물 조성물, 및 이를 이용한 소결체 및 도전성막은 수축률이 높아 타겟의 품질이 우수하고, 투명성 및 도전성이 우수하며, 기판과의 접합성이 우수하여, 액정 디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이(PDP), 유기발광 디스플레이(OLED), 터치패널 등의 전극에 사용될 수 있으며, 또한 전자파 차폐재, 발열체, 태양 전지 등에도 유용하게 사용될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다.  그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
비교예 1 및 실시예 1 내지 3과, 비교예 2 및 실시예 4 내지 6
산화인듐(In2O3) 분말, 산화갈륨(Ga2O3) 분말, 산화바륨(BaO) 분말 및 산화아연(ZnO) 분말을 각각 In:Ga:Ba:Zn:O의 원자비(at%)가 하기 표 1에 나타난 바와 같이 되도록 중량을 천칭하였고, 총 중량은 100g이 되도록 하였다. 상기 각 성분의 분말을 폴레에틸렌제의 포트에 넣고 에탄올을 충분히 채운 다음 지르코니아(ZrO2) 볼(ball)을 이용한 볼밀링(ball milling) 방법으로 24 시간 동안 혼합한 후 120℃의 플레이트 위에서 충분히 저으면서 건조시킴으로써 금속 산화물 조성물을 제조한다.
상기 금속 산화물 조성물을 금형에 넣고, 300 kg/cm2의 압력으로 프레스하여 성형한 후 대기 중에서 소결시킴으로써 소결체를 제조한다. 소결을 위한 승온 속도는 10℃/min 이고, 소결은 1450℃에서 6 시간 동안 수행된다.
상기 소결체를 스퍼터링하여 유리 기판에 성막하여, RF 전력 30 W, 가스압 5X10-3 Torr, Ar 가스유량 15 SCCM, O2 가스유량 5 SCCM, 기판 온도 상온의 조건으로 도전성막을 제조한다. 상기 도전성막의 두께는 3000 Å이다.
실험예 1: 비교예 1 및 실시예 1 내지 3과, 비교예 2 및 실시예 4 내지 6에서 제조된 소결체의 조성 분석
위에서 제조된 소결체의 조성 분석을 EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)를 이용하여 수행하며, 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
[표 1]
구분 원자비(at%)
인듐(In) 갈륨(Ga) 바륨(Ba) 아연(Zn) 산소(O) (In+Ga)/(In+Ga+Ba+Zn)
비교예 1 14.28 14.26 0.00 14.31 57.15 66.60
실시예 1 12.28 12.26 4.00 14.31 57.15 57.27
실시예 2 18.25 6.24 4.00 14.37 57.14 57.14
실시예 3 6.26 18.27 4.00 14.31 57.16 57.26
비교예 2 9.10 9.00 0.00 27.25 54.65 39.91
실시예 4 7.10 7.00 4.00 27.25 54.65 31.09
실시예 5 2.05 12.03 4.00 27.37 54.54 30.98
실시예 6 12.02 2.03 4.00 27.36 54.59 30.94
실험예 2: 비교예 1 및 실시예 1 내지 3과, 비교예 2 및 실시예 4 내지 6에서 제조된 소결체를 이용한 타겟의 수축률
위에서 제조된 소결체를 이용한 타겟의 수축률은 아래 식에 의해 그 값을 구하며, 그 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
(소결 전 부피 - 소결 후 부피) / 소결 전 부피 X 100
[표 2]
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 2 실시예 4 실시예 5 실시예 6
수축률(%) 35.93 42.75 42.77 41.32 19.31 24.63 25.38 24.18
상기 표 2를 통하여, 일 구현예에 따라 인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn) 및 산소(O)를 포함하고, (In+Ga)/(In+Ga+Ba+Zn)의 원자비(at%)가 15 내지 85인 금속 산화물 조성물을 이용한 실시예 1 내지 3의 경우 바륨(Ba)을 포함하지 않은 비교예 1과 비교하여 수축률이 크게 증가함을 확인할 수 있다. 마찬가지로, 일 구현예에 따른 실시예 4 내지 6의 경우 바륨(Ba)을 포함하지 않은 비교예 2와 비교하여 수축률이 크게 증가함을 확인할 수 있다. 이러한 수축률 증가는 소결 밀도 향상을 나타내므로, 타겟의 품질 향상에 결정적인 영향을 미친다.
실험예 3: 비교예 1 및 실시예 1 내지 3과, 비교예 2 및 실시예 4 내지 6에서 제조된 도전성막의 조성 분석
위에서 제조된 도전성막의 조성 분석을 EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)를 이용하여 수행하며, 그 결과를 하기 표 3에 나타낸다.
[표 3]
구분 원자비(at%)
인듐(In) 갈륨(Ga) 바륨(Ba) 아연(Zn) 산소(O) (In+Ga)/(In+Ga+Ba+Zn)
비교예 1 13.38 14.40 0.00 13.92 58.30 66.62
실시예 1 12.36 12.13 4.05 14.31 57.15 57.15
실시예 2 18.23 6.33 4.04 14.29 57.11 57.26
실시예 3 6.18 18.35 4.08 14.36 57.03 57.09
비교예 2 9.20 8.87 0.00 27.07 54.86 40.03
실시예 4 7.18 6.96 4.03 27.21 54.62 31.16
실시예 5 2.13 11.98 4.06 27.29 54.54 31.09
실시예 6 12.07 1.98 4.07 27.32 54.56 30.92
실험예 4: 실시예 1 내지 6에서 제조된 도전성막의 특성 평가
위에서 제조된 도전성막의 특성을 아래와 같은 방법으로 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타낸다.
(1) 투명성 평가: 3000 Å 두께의 막에 대해 UV/VIS 분광기를 이용하여 550 nm에서의 투과율을 측정한다.
(2) 도전성 평가: 3000 Å 두께의 막에 대해 4포인트 프로브 표면저항 측정기를 이용하여 저항을 측정한다.
(3) XRD 특성: 3000 Å두께의 막에 대해 XRD를 측정한다.
[표 4]
구분 투과율(%) 저항(Ω/□) XRD 측정 결과
실시예 1 80 96 비정질
실시예 2 83 106 비정질
실시예 3 82 102 비정질
실시예 4 85 113 결정질
실시예 5 83 112 결정질
실시예 6 88 116 결정질
상기 표 4를 통하여, 일 구현예에 따라 인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn) 및 산소(O)를 포함하고, (In+Ga)/(In+Ga+Ba+Zn)의 원자비(at%)가 15 내지 85 인 금속 산화물 조성물을 이용한 실시예 1 내지 6의 경우 투명성 및 도전성이 우수함을 확인할 수 있다.
또한 XRD 측정 결과 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 도전성막은 비정질이고, 실시예 4 내지 6에 따라 제조된 도전성막은 결정질임을 확인할 수 있다. 도 1은 실시예 1에 따라 제조된 도전성막의 단면에 대한 주사전자현미경(XRD) 사진이며, 이를 참조하면 실시예 1에 따라 제조된 도전성막은 비정질임을 알 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실 시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.  그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 도전성막의 단면에 대한 주사전자현미경(XRD) 사진이다.

Claims (5)

  1. 인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn) 및 산소(O)를 포함하고,
    (In+Ga)/(In+Ga+Ba+Zn)의 원자비(at%)가 15 내지 85 인 금속 산화물 조성물.
  2. 인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn) 및 산소(O)를 포함하고,
    (In+Ga)/(In+Ga+Ba+Zn)의 원자비(at%)가 15 내지 85 인 금속 산화물 조성물을 이용한 소결체.
  3. 인듐(In), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 아연(Zn) 및 산소(O)를 포함하고,
    (In+Ga)/(In+Ga+Ba+Zn)의 원자비(at%)가 15 내지 85 인 금속 산화물 조성물을 이용한 도전성막.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 도전성막은 5000 Å 이하의 막 두께를 가지는 것인 도전성막.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 도전성막은 비정질 또는 결정질인 것인 도전성막.
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