KR20060044750A - Fluorine-containing indium-tin-oxide sintered body and the method of preparation of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면 평활성이 우수한 투명 도전막을 형성하기 위해 F-ITO 타겟용 고밀도 소결체를 저온에서 그리고 또한 단시간에 제조할 수 있는 새로운 기술을 제공하는 것을 주 목적으로 한다. 본 발명은 인듐, 주석, 산소 및 불소를 함유하는 분말 원료에 가압하에서 직류 펄스 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 불소 함유 인듐-주석 산화물 소결체의 제조 방법; 이 방법에 의해 얻어진 불소 함유 인듐-주석 산화물 소결체; 이 불소 함유 인듐-주석 산화물 소결체를 포함하는 스퍼터링용 타겟재; 이 스퍼터링용 타겟재를 이용하여 제조한 박막; 박막 두께의 평균값(d)에 대한 박막의 요철에 의한 고저차(ΔZ; 막 두께의 최대값과 최소값의 차)의 비(표면 평활도; ΔZ/d)가 10 %를 초과하지 않는 상기 박막을 제공한다.The present invention aims to provide a new technique capable of producing a high-density sintered compact for an F-ITO target at a low temperature and in a short time in order to form a transparent conductive film having excellent surface smoothness. The present invention provides a method for producing a fluorine-containing indium-tin oxide sintered body, wherein a direct current pulse current is applied to a powder raw material containing indium, tin, oxygen, and fluorine under pressure; Fluorine-containing indium-tin oxide sintered body obtained by this method; Sputtering target material containing this fluorine-containing indium tin oxide sintered compact; Thin film manufactured using this sputtering target material; Provided said thin film in which the ratio (surface smoothness; ΔZ / d) of the height difference (ΔZ; difference between the maximum value and minimum value of the film thickness) due to unevenness of the thin film to the average value d of the thin film thickness does not exceed 10%. .
불소 함유 인듐-주석 산화물 소결체, 타겟, 통전 소결, 표면 평활성 Fluorine-containing indium-tin oxide sintered body, target, energized sintering, surface smoothness
Description
도 1은 실시예 1에서 통전 소결법으로 제조한 소결체에 있어서, 밀도의 소결 온도 의존성을 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing the sintering temperature dependency of density in the sintered body manufactured by the energized sintering method in Example 1. FIG.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에서 얻어진 소결체의 X선 회절 패턴을 나타낸 차트이다.2 is a chart showing X-ray diffraction patterns of the sintered bodies obtained in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
[문헌 1] 일본 특허 공개 (소)60-121272호 공보[Document 1] Japanese Unexamined Patent Publication No. 60-121272
[문헌 2] J. N. Avaritsiotis and R. P. Howson, Thin Solid Films, vol.80, pp.63-66(1981).J. N. Avaritsiotis and R. P. Howson, Thin Solid Films, vol. 80, pp. 63-66 (1981).
[문헌 3] 일본 특허 공개 제2000-273618호 공보[Document 3] Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-273618
[문헌 4] 일본 특허 공개 (평)10-72253호 공보[Document 4] Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-72253
본 발명은 투명 도전막의 형성 재료로서 유용한 불소 함유 인듐-주석 산화물 ("Fluorine-containing Indium-Tin-Oxide": 조성식 In1-xSnxFyOz로 표시됨; 이하 "F-ITO"라고 약기함) 소결체를 신속하게 제조하기 위한 소결 방법에 관한 것이다.The present invention provides a fluorine-containing indium-tin oxide useful as a material for forming a transparent conductive film ("Fluorine-containing Indium-Tin-Oxide": represented by the formula In 1-x Sn x F y O z ; hereinafter referred to as "F-ITO"). The present invention relates to a sintering method for quickly producing a sintered body.
ITO 박막은 높은 도전성과 우수한 투광성을 갖기 때문에 액정 디스플레이 등의 각종 표시 장치에서 투명 도전막으로 널리 이용되고 있다.Since the ITO thin film has high conductivity and excellent light transmittance, it is widely used as a transparent conductive film in various display devices such as liquid crystal displays.
ITO 박막을 제조하는 방법으로서는 분무법, 침지법, 진공 증착법, 스퍼터법 등이 있지만, 제조 비용, 생산성, 막질, 막의 특성(도전율, 투광성) 등의 점에서 상대적으로 우수한 스퍼터법이 현재의 주류 생산 기술로 되었다.As a method for producing an ITO thin film, there are a spray method, an immersion method, a vacuum deposition method, and a sputtering method. However, sputtering methods that are relatively superior in terms of manufacturing cost, productivity, film quality, and film properties (conductivity, light transmittance) are the current mainstream production technologies. It became.
스퍼터법에는 In과 Sn의 합금 타겟(IT 타겟)을 이용하는 방법과, In2O3와 SnO2의 소결체를 포함하는 산화물 타겟(ITO 타겟)을 이용하는 방법이 있다. IT 타겟을 이용하는 방법에서는 박막 제조시에 산소 도입량의 변동에 대한 막 도전율의 의존성이 매우 크며, 또한 막 형성의 재현성이 열악하기 때문에 대면적의 기판 상에 도전성이 균일한 막을 얻기가 어렵다. 따라서, ITO 타겟을 이용한 방법이 대면적화, 균질막 제조 등의 점에서 유리하다.The sputtering method includes a method using an alloy target (IT target) of In and Sn, and a method using an oxide target (ITO target) containing a sintered body of In 2 O 3 and SnO 2 . In the method using the IT target, it is difficult to obtain a uniform film on a large-area substrate because the film conductivity has a large dependence of the film conductivity on the variation of the amount of oxygen introduced during thin film production and the poor reproducibility of film formation. Therefore, a method using an ITO target is advantageous in terms of large area, homogeneous film production, and the like.
최근, 액정 디스플레이, 유기 EL 디스플레이 등에서 디스플레이 패널의 표시를 고품위로 하기 위해, 투명 도전막에는 높은 도전성 및 높은 투광성 뿐만 아니라, 고도의 표면 평활성이 요구되고 있다. 이와 같은 요구에 응하기 위해 타겟재인 금속 산화물의 산소 일부를 불소로 치환하는 시도가 행해지고 있다.In recent years, in order to make display of a display panel high quality in a liquid crystal display, an organic electroluminescent display, etc., not only high electroconductivity and high light transmittance but also high surface smoothness is calculated | required by a transparent conductive film. In order to meet such demands, attempts have been made to replace a portion of oxygen of a metal oxide as a target material with fluorine.
예를 들면, 일본 특허 공개 (소)60-121272호 공보에는 불화인듐, 불화주석 등을 출발 원료로 하여, 이것과 산소 등을 플라즈마 반응시켜 투명 도전막을 제조 하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 불소 성분의 원료로서 사불화탄소 등의 가스를 이용하는 연구(문헌[J. N. Avaritsiotis and R. P. Howson, Thin Solid Films, vol.80, pp.63-66(1981)])도 보고되어 있다. 그러나, 이들 공지 문헌에 개시되어 있는 바와 같이, 가스를 박막 형성 원료에 이용하는 반응막 형성법에서는 상술한 IT 타겟을 이용하는 산소 가스 도입막을 제조한 경우와 마찬가지로, 막 중에 취득되는 불소량에 변동이 생기며, 또한 그 양도 충분하지 않기 때문에 결과로서 소정의 특성을 발현하는 박막이 얻어지지 않는다. 따라서, ITO 타겟을 이용하는 경우와 마찬가지로, 불소를 함유하는 타겟을 이용하여 스퍼터링법으로 막을 제조하는 쪽이 바람직하다고 예측된다. 실제, 일본 특허 공개 제2000-273618호 공보에는 불화인듐 및 산화인듐을 함유하는 타겟을 이용하는 스퍼터막의 제조 방법이 개시되어 있고, 종래부터도 높은 도전성의 박막이 얻어진다고 보고되어 있다.For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 60-121272 discloses a method for producing a transparent conductive film by plasma-reacting oxygen and the like using indium fluoride, tin fluoride and the like as starting materials. In addition, a study (J. N. Avaritsiotis and R. P. Howson, Thin Solid Films, vol. 80, pp. 63-66 (1981)) using a gas such as carbon tetrafluoride as a raw material of the fluorine component has also been reported. However, as disclosed in these well-known documents, in the reaction film forming method using gas as a thin film forming raw material, a variation occurs in the amount of fluorine obtained in the film as in the case of producing the oxygen gas introduction film using the IT target described above. Moreover, since the quantity is not enough, the thin film which expresses a predetermined characteristic is not obtained as a result. Therefore, as in the case of using the ITO target, it is predicted that it is preferable to produce a film by the sputtering method using the target containing fluorine. In fact, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2000-273618 discloses a method for producing a sputtered film using a target containing indium fluoride and indium oxide, and it has been reported that a highly conductive thin film is conventionally obtained.
그러나, 불소 함유 ITO 타겟을 제조하는 방법에 대해서는 거의 보고되어 있지 않다. 상기한 일본 특허 공개 제2000-273618호 공보에는 불화인듐 및 산화인듐 분말을 가압 성형한 타블렛을 타겟으로 하여 이용한 실시예가 개시되어 있다. 그런데, 성형에 의해 얻어진 타블렛은 밀도가 낮아 도전성이 낮기 때문에 막 형성 중의 방전 전압이 상승되어 막 형성 속도가 낮다는 등의 큰 난점을 갖고 있다. 따라서, 소결한 고밀도 타겟을 이용하는 것이 바람직하다고 추측되지만, 소결법에 의한 F-ITO 타겟의 제조에 대한 보고는 없다. 이는 ITO가 난소결성 세라믹인 것에 기인한다. ITO 타겟은 통상 인듐, 주석 및 산소를 포함하는 분말을 성형하고, 전기로 등으로 1450 내지 1650 ℃의 고온에서 10 시간 정도 열처리함으로써 제조된다(예를 들면, 일본 특허 공개 (평)10-72253호 공보). 그러나, 이 방법을 그대로 불소 함유 인듐-주석 산화물 분말을 이용하는 F-ITO 타겟의 제조에 적용할 경우에는, 고온·장시간의 열처리에 의해 원료 분말로부터 불소가 이탈되어 버려 불소를 함유하지 않는 ITO 타겟밖에 얻어지지 않는다. 불소의 이탈을 억제하기 위해서는, 예를 들면 원료 분말을 밀폐계 내에 봉입하고 비교적 저온에서 그리고 또한 단시간으로 열처리를 실시하는 방법이 생각되지만, 그와 같은 방법으로 F-ITO 타겟을 제조하였다는 보고예는 없다.However, little is reported about the method for producing the fluorine-containing ITO target. Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2000-273618 discloses an embodiment using a tablet press-molded with indium fluoride and indium oxide powder as a target. By the way, since the tablet obtained by shaping | molding has low density and low electroconductivity, it has a big difficulty, such as the discharge voltage during film formation rises and a film formation rate is low. Therefore, it is speculated that it is preferable to use a sintered high density target, but there is no report on the production of the F-ITO target by the sintering method. This is due to the fact that ITO is a sinterable ceramic. ITO targets are usually produced by molding a powder containing indium, tin and oxygen and heat-treating for about 10 hours at a high temperature of 1450 to 1650 ° C. with an electric furnace or the like (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-72253). report). However, when this method is applied to the production of an F-ITO target using a fluorine-containing indium-tin oxide powder as it is, only the ITO target containing no fluorine is released from the raw material powder due to high temperature and long time heat treatment. Not obtained. In order to suppress the release of fluorine, for example, a method of encapsulating a raw material powder in a closed system and performing heat treatment at a relatively low temperature and for a short time is considered, but a report example in which a F-ITO target was produced in such a manner. There is no.
결론적으로 고품위 디스플레이 제조 및 그 보급을 위해 간편하면서도 단시간의 공정으로 F-ITO 스퍼터 타겟을 제조하는 기술의 개발이 불가결하다.In conclusion, it is indispensable to develop a technology for manufacturing F-ITO sputter targets in a simple and short process for manufacturing and distributing high quality displays.
따라서, 본 발명은 표면 평활성이 우수한 투명 도전막을 형성하기 위해 F-ITO 타겟용 고밀도 소결체를 저온에서 그리고 또한 단시간에 제조할 수 있는 새로운 기술을 제공하는 것을 주 목적으로 한다.Therefore, a main object of the present invention is to provide a new technique capable of producing a high-density sintered compact for an F-ITO target at a low temperature and in a short time in order to form a transparent conductive film having excellent surface smoothness.
본 발명자는 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제를 감안하여 예의 연구를 거듭한 결과, 인듐, 주석, 산소 및 불소를 함유하는 혼합 분말을 가압하면서, 직류 펄스 전류를 인가하는 (통전 소결하는) 경우에는 단시간 내에 고밀도의 F-ITO 소결체를 제조할 수 있으며, 얻어진 소결체는 투명 도전막 제조용의 타겟으로서 바람직하다는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.As a result of intensive research in view of the problems of the prior art as described above, the present inventors have found that when a direct current pulse current is applied (sintering and sintering) while pressurizing a mixed powder containing indium, tin, oxygen, and fluorine, The high-density F-ITO sintered compact can be manufactured within a short time, and the obtained sintered compact was found to be suitable as a target for transparent conductive film manufacture, and came to complete this invention.
즉, 본 발명은 하기의 불소 함유 인듐-주석 산화물 소결체와 이것을 이용하 는 스퍼터링용 타겟재를 제공한다.That is, the present invention provides the following fluorine-containing indium-tin oxide sintered compact and a sputtering target material using the same.
1. 인듐, 주석, 산소 및 불소를 함유하는 분말 원료에 직류 펄스 전류를 가압하에서 인가하는 것을 특징으로 하는, 불소 함유 인듐-주석 산화물 소결체의 제조 방법.1. A method for producing a fluorine-containing indium-tin oxide sintered body, wherein a direct current pulse current is applied to a powder raw material containing indium, tin, oxygen, and fluorine under pressure.
2. 제1항에 있어서, 분말 원료가 (1) 인듐-주석 산화물과 불화수소산을 반응시켜 얻어지는 분말, (2) 산화인듐과 불화수소산을 반응시켜 얻어지는 분말에 산화주석을 혼합한 분말, (3) 산화주석과 불화수소산을 반응시켜 얻어지는 분말에 산화인듐을 혼합한 분말, (4) 산화인듐과 불화인듐과 산화주석의 혼합 분말, (5) 산화인듐과 산화주석과 불화주석의 혼합 분말, (6) 산화인듐과 불화수소산을 반응시켜 얻어지는 분말, (7) 산화인듐과 불화인듐의 혼합 분말, 및 (8) 상기 (1) 내지 (7)에 나타낸 혼합 분말을 추가로 열처리한 분말로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인, 불소 함유 인듐-주석 산화물 소결체의 제조 방법.2. The powder according to
3. 상기 제1항 또는 제2항에 기재된 방법에 의해 얻어진 불소 함유 인듐-주석 산화물 소결체.3. A fluorine-containing indium-tin oxide sintered body obtained by the method according to the above 1 or 2.
4. 상기 제3항에 기재된 불소 함유 인듐-주석 산화물 소결체를 포함하는 스퍼터링용 타겟재.4. The target material for sputtering containing the fluorine-containing indium tin oxide sintered compact of the said 3rd term | claim.
5. 상기 제4항에 기재된 스퍼터링용 타겟재를 이용하여 제조한 박막.5. Thin film manufactured using the sputtering target material of the said 4th term.
6. 상기 제5항에 있어서, 막 두께의 평균값 (d)에 대한 박막의 요철에 의한 고저차(ΔZ; 막 두께의 최대값과 최소값의 차)의 비(표면 평활도; ΔZ/d)가 10 %를 초과하지 않는 박막.6. The ratio (surface smoothness; ΔZ / d) of the
본 발명에 의하면, 고밀도의 F-ITO 소결체를 단시간에 안정적으로 제조할 수 있다.According to this invention, a high density F-ITO sintered compact can be manufactured stably in a short time.
본 발명에 의한 고밀도의 F-ITO 소결체를 스퍼터링용 타겟재로서 사용하는 경우에는 표면 평활성이 우수하고 고도전성 및 고투광성을 발휘하는 투명 도전막을 제조할 수 있다.When using the high-density F-ITO sintered compact by this invention as a target material for sputtering, the transparent conductive film which is excellent in surface smoothness and exhibits high electrical conductivity and high light transmittance can be manufactured.
본 발명의 방법은 여러가지의 조성을 갖는 불소 함유 투명 도전막 제조용의 스퍼터 타겟 재료, 예를 들면 불소 함유 ZnO계 타겟 재료의 제조에도 적용할 수 있다. 즉, 본 발명의 방법에 따르면, 종래의 전기로에 의한 외열식 소결법에서는 제조하기 어려웠던 불소 함유 고밀도 타겟을 단시간에 안정적으로 제조할 수 있다.The method of the present invention can also be applied to the production of sputter target materials for producing fluorine-containing transparent conductive films having various compositions, for example, fluorine-containing ZnO-based target materials. That is, according to the method of the present invention, it is possible to stably produce a fluorine-containing high-density target that was difficult to manufacture in the external thermal sintering method by a conventional electric furnace in a short time.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>Best Mode for Carrying Out the Invention
이하, 본 발명의 방법에서 사용하는 출발 원료, 소결 방법, 얻어지는 소결체 등에 대해 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the starting raw material, the sintering method, the sintered compact obtained, etc. which are used by the method of this invention are demonstrated in detail.
출발 원료Starting raw materials
출발 원료 제조용의 각 성분 원료 분말로서는 특별한 제한은 없다. 예를 들면, 인듐원으로서는 산화인듐, 염화인듐, 질산인듐, 황산인듐, 불화인듐, 브롬화인듐 등을 들 수 있다. 주석원으로서는 산화주석, 염화주석, 질산주석, 황산주석, 불화주석, 브롬화주석 등을 들 수 있다. 불소원으로서는 불화수소산, 불화인듐, 불화주석, 불화아세틸 등을 들 수 있다.There is no restriction | limiting in particular as each component raw material powder for starting raw material manufacture. For example, indium oxide, indium chloride, indium nitrate, indium sulfate, indium fluoride, indium bromide, etc. are mentioned. Examples of the tin source include tin oxide, tin chloride, tin nitrate, tin sulfate, tin fluoride, and tin bromide. Examples of the fluorine source include hydrofluoric acid, indium fluoride, tin fluoride, and acetyl fluoride.
출발 원료로서는 이들 각 성분 원료를 배합한 혼합물, 또는 이들 각 성분 원료간의 반응 생성물, 또는 이들 반응 생성물을 열처리 또는 수열처리한 분말 등을 사용할 수 있다.As a starting material, the mixture which mix | blended each of these component raw materials, the reaction product between these each raw material of components, or the powder which heat-treated or hydrothermally processed these reaction products, etc. can be used.
출발 원료 중의 불소 성분, 인듐 성분 및 주석 성분의 비율은 박막 조성에 따라 정해지는 타겟 재료의 필요 조성에 따라 적절하게 선택할 수 있다.The ratio of the fluorine component, indium component and tin component in the starting material can be appropriately selected according to the required composition of the target material determined by the thin film composition.
출발 원료는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 보다 바람직한 혼합 분말로서 (1) 인듐-주석 산화물과 불화수소산을 반응시켜 얻어지는 분말, (2) 산화인듐과 불화수소산을 반응시켜 얻어지는 분말에 산화주석을 혼합한 분말, (3) 산화주석과 불화수소산을 반응시켜 얻어지는 분말에 산화인듐을 혼합한 분말, (4) 산화인듐과 불화인듐과 산화주석의 혼합 분말, (5) 산화인듐과 산화주석과 불화주석의 혼합 분말, (6) 산화인듐과 불화수소산을 반응시켜 얻어지는 분말, (7) 산화인듐과 불화인듐의 혼합 분말, 및 (8) 상기 (1) 내지 (7)에 나타낸 혼합 분말을 추가로 열처리(통상 100 내지 600 ℃ 정도에서 열처리)한 분말 등이 예시된다. 상기한 열처리를 행함으로써 혼합 분말 중에 잔존하는 미반응 잔류물 등이 제거되어 소결체의 성상(性狀)을 개선할 수 있다. 예를 들면, (1)의 분말은 수용액을 사용한 반응 생성 가루이기 때문에 수산기 등의 잔류물이 존재할 가능성이 높고, 이것이 후에 통전 소결시 가스화되기 때문에 치밀한 소결체가 얻어지지 않는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는 소결 전에 분말을 100 내지 600 ℃ 정도에서 열처리하여 잔류물을 미리 제거하면, 통전 소결시의 가스 발생량이 적어져 치밀한 소결체가 얻어지기 쉽다.The starting material is not particularly limited, but as a more preferable mixed powder, (1) powder obtained by reacting indium-tin oxide with hydrofluoric acid, and (2) powder obtained by mixing tin oxide with powder obtained by reacting indium oxide with hydrofluoric acid (3) a powder obtained by reacting tin oxide and hydrofluoric acid with indium oxide, (4) indium oxide, indium fluoride, and tin oxide powders, (5) indium oxide, tin oxide, and tin fluoride Further heat treatment (usually a powder, (6) a powder obtained by reacting indium oxide and hydrofluoric acid, (7) a mixed powder of indium oxide and indium fluoride, and (8) the mixed powder shown in the above (1) to (7). Powder or the like) heat-treated at about 100 to 600 ° C. By performing the heat treatment described above, unreacted residues and the like remaining in the mixed powder can be removed to improve the properties of the sintered body. For example, since the powder of (1) is a reaction product powder using an aqueous solution, a residue such as a hydroxyl group is likely to exist, and since this is later gasified during energizing sintering, a dense sintered compact may not be obtained. In such a case, when the powder is heat-treated at about 100 to 600 ° C. before sintering and the residue is removed in advance, the amount of gas generated during energizing sintering becomes small, and a dense sintered body is easily obtained.
인듐과 주석의 혼합비는 둘의 합계 중량을 기준으로 주석 함유량이 0 내지 30 % 정도, 보다 바람직하게는 0 내지 20 % 정도이다. 산소와 불소의 혼합비는 둘의 합계 중량을 기준으로 불소 함유량이 1 내지 30 % 정도, 바람직하게는 2 내 지 20 % 정도이다.The mixing ratio of indium and tin is about 0 to 30%, more preferably about 0 to 20%, based on the total weight of the two. The mixing ratio of oxygen and fluorine is about 1 to 30%, preferably about 2 to 20%, based on the total weight of the two.
혼합 분말의 입경은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 소결체의 고밀도화를 달성하기 위해서는 통상 0.01 내지 10 ㎛ 정도, 보다 바람직하게는 0.05 내지 5 ㎛ 정도로 한다.The particle diameter of the mixed powder is not particularly limited, but in order to achieve high density of the sintered compact, the particle size is usually about 0.01 to 10 m, more preferably about 0.05 to 5 m.
통전 소결Energized sintering
본 발명에서는 상기한 출발 원료 분말을 펄스 통전에 의해 소결하여, 통상 승온 개시로부터 소결 완료까지 약 100 분 또는 그 이하의 단시간(10 내지 100 분 정도)의 소결 조작으로 고밀도 F-ITO 소결체를 제조할 수 있다.In the present invention, the starting raw material powder is sintered by pulse energization, and a high-density F-ITO sintered body can be produced by a sintering operation of about 100 minutes or less (about 10 to 100 minutes) from the start of temperature rise to completion of sintering. Can be.
통전 소결법은 원료 분말에 대해 펄스 전류를 가압 가열하에 인가함으로써 소결을 행하는 방법이다. 보다 구체적으로는, 본 발명에서는 통전 소결(또는 펄스 통전 소결, 펄스 대전류 소결, 방전 플라즈마 소결, 방전 소결 등이라고도 함) 등의 온-오프 펄스 통전에 의한 소결법을 이용하여, 우선 소정의 형내에 수용한 원료 분체를 압축하여 압분체로 하고, 이 압분체에 펄스형 전류를 통전시킴과 동시에, 그 피크 전류와 펄스폭을 제어하여 재료 온도를 제어하면서 압축 소결할 수 있다.The energization sintering method is a method of sintering by applying a pulse current to the raw material powder under pressure heating. More specifically, in the present invention, by using the sintering method by on-off pulse energization, such as energized sintering (or pulse energized sintering, pulsed high current sintering, discharge plasma sintering, discharge sintering, etc.), first, it is accommodated in a predetermined mold. One raw material powder is compressed to be a green compact, and a compact current can be supplied to the green compact, and the peak current and the pulse width can be controlled to control compression of the material while controlling the material temperature.
본 발명에서는 인듐, 주석, 산소 및 불소를 함유하는 혼합 원료 분말 압분체에 대해, 예를 들면 약 2,000 내지 10,000 A 정도, 보다 바람직하게는 5,000 내지 8,000 A 정도의 직류 펄스 전류를, 예를 들면 통상 약 10 내지 60 MPa, 보다 바람직하게는 약 20 내지 50 MPa의 가압하에서 인가하여 승온 개시로부터 소결 완료까지 100 분 정도 또는 그 이내의 단시간에 고밀도 F-ITO 소결체를 제조할 수 있다. 소결시의 온도는 원료의 조성, 원료 분말의 입경 및 입경 분포, 소결체의 크기, 가 압력, 인가 전류량 등을 고려하여 선택할 수 있으나, 통상 900 내지 1400 ℃ 정도이고, 보다 바람직하게는 1000 내지 1300 ℃ 정도이다.In the present invention, for the mixed raw material powder compact containing indium, tin, oxygen and fluorine, for example, a DC pulse current of about 2,000 to 10,000 A, more preferably about 5,000 to 8,000 A, for example, is usually used. It can be applied under a pressure of about 10 to 60 MPa, more preferably about 20 to 50 MPa to produce a high-density F-ITO sintered body in a short time of about 100 minutes or less from the start of the temperature rise to the completion of the sintering. The temperature at the time of sintering may be selected in consideration of the composition of the raw material, the particle size and particle size distribution of the raw material powder, the size of the sintered body, the pressing pressure, the amount of applied current, and the like, but is usually about 900 to 1400 ° C, more preferably 1000 to 1300 ° C. It is enough.
본 발명의 보다 바람직한 실시 형태에서는 통전 소결("방전 플라즈마 소결" 또는 "Spark-Plasma-Sintering", SPS라고 함)용 장치를 이용하여 인듐, 주석, 산소 및 불소를 함유하는 원료 분말 압분체의 소결을 행한다. 이 SPS법을 실시하기 위한 방전 플라즈마 소결기 및 그 작동 원리 등은, 예를 들면 일본 특허 제3,007,929호 명세서(일본 특허 공개 (평)10-251070호 공보) 등에 개시되어 있다.In a more preferred embodiment of the present invention, sintering of raw powder compacts containing indium, tin, oxygen and fluorine using an apparatus for energizing sintering ("discharge plasma sintering" or "Spark-Plasma-Sintering", SPS) Is done. The discharge plasma sintering machine for implementing this SPS method, its operation principle, and the like are disclosed in, for example, Japanese Patent No. 3,007,929 (Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-251070).
본 발명의 방법에서, 예를 들면 지그로서 그래파이트를 이용했을 경우에는 얻어지는 소결체의 표면 근방이 지그의 성분인 그래파이트를 포함하는 경우가 있다. 이와 같은 소결체 표면 근방에 포함되는 그래파이트 등의 불순물은 소결체 표면을 연마 또는 대기 중에서 열처리함으로써 쉽게 제거할 수 있다.In the method of this invention, when graphite is used as a jig, for example, the surface vicinity of the sintered compact obtained may contain graphite which is a component of a jig. Impurities such as graphite contained in the vicinity of the sintered compact can be easily removed by polishing the surface of the sintered compact or performing heat treatment in air.
본 발명의 방법에 의해 얻어지는 불소 함유 인듐-주석 산화물 소결체는 조성식 In1-xSnxFyOz로 표시되는 조성을 갖는다. 이 조성식에서 통상 x 및 y는 각각 0 ≤ x ≤ 1 정도 및 0 < y ≤ 0.3 정도의 범위이며, z는 z = (x - y + 3)/2로 규정되는 값이다.The fluorine-containing indium-tin oxide sintered body obtained by the method of the present invention has a composition represented by the composition formula In 1-x Sn x F y O z . In this composition formula, x and y are usually in a range of about 0 ≦ x ≦ 1 and 0 <y ≦ 0.3, respectively, and z is a value defined by z = (x−y + 3) / 2.
<실시예> <Example>
이하, 실시예 및 비교예를 나타내어 본 발명의 특징을 더욱 명확히 한다.Examples and comparative examples are shown below to further clarify the features of the present invention.
또한, 이하 실시예 및 비교예에서는 In원으로서 입경 약 1 내지 5 ㎛의 산화인듐(In2O3) 분말을 사용하고, Sn원으로서 입경 약 1 내지 5 ㎛의 산화주석(SnO2) 분말을 사용하였다. In Examples and Comparative Examples below, indium oxide (In 2 O 3 ) powder having a particle size of about 1 to 5 μm is used as the In source, and tin oxide (SnO 2 ) powder having a particle size of about 1 to 5 μm is used as the Sn source. Used.
[실시예 1]Example 1
출발 원료 분말의 조제Preparation of Starting Raw Powder
또한, In203 약 305 g과 Sn02 약 46 g을 충분히 혼합한 후, 전기로에서 1400 ℃, 2 시간 소성하였다. 이 소성물을 시판되는 HF 수용액(농도 약 47 %)을 10배 희석한 용액 약 700 mL에 넣고, 배기 설비가 있는 드래프트 중에서 교반하면서 약 80 ℃로 가열하여 증발 건조시켰다. 얻어진 고형물을 전기로에서 500 ℃, 2 시간 열처리한 후, 분쇄 혼합하여 출발 원료 분말로 하였다.Further, about 305 g of In 2 0 3 and about 46 g of Sn 0 2 were sufficiently mixed, and then calcined at 1400 ° C. for 2 hours in an electric furnace. The calcined product was put into about 700 mL of a 10-fold diluted solution of a commercially available HF solution (concentration of about 47%), heated to about 80 ° C. while stirring in a draft with an exhaust system, and evaporated to dryness. The obtained solid was heat-treated at 500 ° C. for 2 hours in an electric furnace, and then ground and mixed to obtain starting material powder.
소결체의 제조Manufacture of Sintered Body
통전 소결에는 방전 플라즈마 소결 장치((주)스미또모 세끼탄 고교 제조, "SPS-3.20MK-IV")를 이용하였다. 또한, 지그는 그래파이트제로 내부 직경 10 cm의 원통형인 것을 이용하였다. 이 지그 내에 상기에서 얻어진 출발 원료 분말 약 350 g을 균일하게 넣고, 위 아래에 Al2O3 가루 약 10 g을 포장하고, 약 30 MPa의 압력을 인가하여 소결 챔버 내를 약 10 Pa까지 탈기하였다. 이어서, 지그에 약 1000 내지 6000 A의 직류 펄스 전류를 인가함으로써 원료 주변을 승온 속도 약 20 ℃/분으로 1000 내지 1200 ℃의 소정의 온도로 가열하였다. 이 상태를 약 30 분간 유지한 후, 전류 인가 및 가압 인가를 멈추고, 생성된 소결체를 실온까지 냉각하고, 소결 챔버 내를 대기압으로 되돌려 소결 생성물을 추출하였다.A discharge plasma sintering apparatus (manufactured by Sumitomo Sekitan Kogyo Co., Ltd., " SPS-3.20MK-IV ") was used for energizing sintering. In addition, the jig | tool used the thing made of graphite and the cylindrical shape of inner diameter 10cm. About 350 g of the starting raw material powder obtained above was uniformly put in this jig, about 10 g of Al 2 O 3 powder was packed up and down, and a pressure of about 30 MPa was applied to degas the inside of the sintering chamber to about 10 Pa. . Subsequently, by applying a DC pulse current of about 1000 to 6000 A to the jig, the periphery of the raw material was heated to a predetermined temperature of 1000 to 1200 ° C. at a heating rate of about 20 ° C./min. After maintaining this state for about 30 minutes, current application and pressurization application were stopped, the produced sintered compact was cooled to room temperature, the inside of the sintering chamber was returned to atmospheric pressure, and the sintered product was extracted.
얻어진 소결 생성물은 모두 직경 약 10 cm, 두께 약 7 mm의 원반상이었다. 이어서, 각 소결 생성물의 상하 양면에 존재하는 Al2O3층을 연마로 제거하여 진한 청녹색의 목적하는 원반상 소결체를 얻었다.All obtained sintered products were disk shape of diameter about 10 cm and thickness about 7 mm. Subsequently, Al 2 O 3 layers present on the upper and lower surfaces of each of the sintered products were removed by polishing to obtain a dark blue-green desired discotic sintered body.
얻어진 각 소결체의 밀도는 도 1에 나타낸 바와 같이, 예를 들면 1200 ℃의 소결체로서는 6.4 g/cm3이며 ITO의 이론 밀도(약 7.1 g/cm3)를 기준으로 하여 약 90 %였다. 이 1200 ℃에서의 소결체는 도 2의 X선 회절 패턴으로부터 명확한 바와 같이 IT0과 InOF와의 혼합물(F-ITO)이었다. 이 소결체의 원소를 분석한 결과, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 주석 함유량(Sn/Sn + In)이 약 10 %였고, 불소 함유량(F/F + O)이 약 4 %였다.As shown in FIG. 1, the density of each obtained sintered compact was 6.4 g / cm <3> as a sintered compact of 1200 degreeC, for example, and was about 90% based on the theoretical density (about 7.1 g / cm <3> ) of ITO. This sintered compact at 1200 degreeC was a mixture (IT-ITO) of IT0 and InOF, as is evident from the X-ray diffraction pattern of FIG. As a result of analyzing the element of this sintered compact, as shown in following Table 1, tin content (Sn / Sn + In) was about 10%, and fluorine content (F / F + O) was about 4%.
이들 결과로부터 명확한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고밀도 F-ITO 소결체를 제조할 수 있다.As is clear from these results, according to the present invention, a high-density F-ITO sintered body can be produced.
박막의 형성Formation of a thin film
상기에 있어서, 소결 온도 1200 ℃에서 제조한 F-ITO 소결체를 타겟으로서 이용하고, 유리 기판 상에 스퍼터법으로 막을 형성하였다. 막 형성 중의 기판 온도는 200 ℃ 또는 300 ℃로 하고, 스퍼터 파워 = DC:200 W, 막 형성 압력 = 3 mTorr, 막 형성 시간 = 15 분으로 행하였다.In the above, the film was formed on the glass substrate by the sputtering method using the F-ITO sintered compact manufactured at the sintering temperature of 1200 degreeC as a target. Substrate temperature during film formation was 200 degreeC or 300 degreeC, and sputter power = DC: 200W, film formation pressure = 3 mTorr, and film formation time = 15 minutes.
얻어진 막의 두께, 비저항, 표면 고저차, 표면 평활도 및 투광도를 하기 표 2에 나타내었다. 비저항은 약 2 내지 6×10-4 Ωcm이고, 550 nm의 투광도는 89 내지 90 %였고, 이들 값은 종래의 ITO 타겟을 이용한 박막의 보고값(1×10-4 Ωcm 및 91 %; 문헌[R. Latz, K. Michael, and M. Scherer, Jpn. J. Appl. Phys., 30, L149 (1991)])과 거의 동등한 값이었다.The thickness, specific resistance, surface elevation, surface smoothness and light transmittance of the obtained film are shown in Table 2 below. The resistivity was about 2-6 × 10 −4 Ωcm and the transmittance at 550 nm was 89-90%, and these values were reported values of thin films using conventional ITO targets (1 × 10 −4 Ωcm and 91%; R. Latz, K. Michael, and M. Scherer, Jpn. J. Appl. Phys., 30, L149 (1991)].
[비교예 2]Comparative Example 2
또한, 얻어진 박막의 ΔZ/d값(표면 평활도)은 약 4 내지 9 %였고, 통상의 IT0 타겟재에 의한 박막의 값(약 20 % 이상)에 비해 표면 평활성이 현저히 향상되었다.In addition, the ΔZ / d value (surface smoothness) of the obtained thin film was about 4 to 9%, and the surface smoothness was remarkably improved as compared with the value (about 20% or more) of the thin film by the usual IT0 target material.
이상의 결과로부터, 본 발명의 방법에 의해 얻어지는 F-ITO 소결체는 표면 평활성이 매우 높은 투명 도전막을 제조하기 위한 스퍼터 타겟으로서 우수한 효과를 발휘하는 것이 명확하였다.From the above result, it was clear that the F-ITO sintered compact obtained by the method of this invention exhibits the outstanding effect as a sputter target for manufacturing the transparent conductive film with very high surface smoothness.
[실시예 2]Example 2
산화인듐 분말(약 305 g)과 불화수소산(시판되는 농도 47 %의 용액을 10 배 희석한 용액, 약 3500 mL)을 반응시킨 후, 약 80 ℃에서 증발 건조시켜 분말을 제조하고, 이것에 산화주석(약 46 g)을 혼합하고 혼합물을 전기로에서 500 ℃, 2 시간 열처리하였다.After reacting indium oxide powder (about 305 g) with hydrofluoric acid (solution diluted 10 times with a solution of 47% concentration, about 3500 mL), the powder was prepared by evaporating to dryness at about 80 ° C to oxidize it. Tin (about 46 g) was mixed and the mixture was heat treated at 500 ° C. for 2 hours in an electric furnace.
상기에서 얻어진 열처리 생성물을 출발 원료로 하여 실시예 1과 동일한 통전 소결법으로 1200 ℃에서 30 분간 소결하여 소결체를 얻었다.Using the heat processing product obtained above as a starting material, it sintered for 30 minutes at 1200 degreeC by the same electric current sintering method as Example 1, and obtained the sintered compact.
얻어진 소결체를 원소 분석한 결과, Sn/(In + Sn) = 10.9 %, F/(O + F) = 18.5 %였다.Elemental analysis of the obtained sintered compact showed Sn / (In + Sn) = 10.9% and F / (O + F) = 18.5%.
상기 소결체를 타겟 재료로서 실시예 1과 동일한 수법으로 유리 기판 상에 막 형성하였다. 얻어진 막의 특성은 표 3에 나타낸 바와 같았다.The said sintered compact was formed into a film on the glass substrate by the same method as Example 1 as a target material. The properties of the obtained film were as shown in Table 3.
[실시예 3]Example 3
산화인듐 분말(약 290 g), 불화인듐 분말(약 25 g) 및 산화주석 분말(약 46 g)을 충분히 혼합한 후, 전기로에서 500 ℃, 2 시간 열처리함으로써 출발 원료 분말을 제조하였다. 이 원료 분말을 실시예 1과 같은 통전 소결법으로 1200 ℃에서 30 분간 소결하여 소결체를 얻었다.After the indium oxide powder (about 290 g), the indium fluoride powder (about 25 g) and the tin oxide powder (about 46 g) were sufficiently mixed, a starting raw material powder was prepared by heat treatment at 500 ° C. for 2 hours in an electric furnace. This raw material powder was sintered at 1200 degreeC for 30 minutes by the same electric current sintering method as Example 1, and the sintered compact was obtained.
소결체의 원소 분석 결과, Sn/(In + Sn) = 10.4 %, F/(0 + F) = 8.4 %인 것이 확인되었다.As a result of elemental analysis of the sintered compact, it was confirmed that Sn / (In + Sn) = 10.4% and F / (0 + F) = 8.4%.
상기 소결체를 타겟 재료로서 실시예 1과 동일한 수법으로 유리 기판 상에 막 형성하였다. 얻어진 막의 특성은 표 4에 나타낸 바와 같았다.The said sintered compact was formed into a film on the glass substrate by the same method as Example 1 as a target material. The properties of the obtained film were as shown in Table 4.
[실시예 4]Example 4
산화인듐 분말(약 250 g)과 불화수소산(시판되는 농도 47 %의 용액을 10배 희석한 용액, 약 400 mL)을 반응시킨 후, 약 80 ℃에서 증발 건조시켜 분말을 제조하여, 이것을 전기로에서 500 ℃, 2 시간 열처리하였다.After reacting indium oxide powder (about 250 g) with hydrofluoric acid (solution diluted 10-fold with a solution of 47% concentration, about 400 mL), evaporated to dryness at about 80 ° C. to prepare a powder, which was then heated in an electric furnace. It heat-treated at 500 degreeC for 2 hours.
상기에서 얻어진 열처리 생성물을 출발 원료로서 실시예 1과 동일한 통전 소결법으로 1200 ℃에서 30 분간 소결하여, 소결체를 얻었다.The heat processing product obtained above was sintered at 1200 degreeC for 30 minutes by the same electric current sintering method as Example 1, and the sintered compact was obtained.
얻어진 소결체를 원소 분석한 결과, Sn/(In + Sn) = 0.0 %, F/(0 + F) = 8.0 %였다.Elemental analysis of the obtained sintered compact showed Sn / (In + Sn) = 0.0% and F / (0 + F) = 8.0%.
상기 소결체를 타겟 재료로서 실시예 1과 동일한 수법으로 유리 기판 상에 막 형성하였다. 얻어진 막의 특성은 표 5에 나타낸 바와 같았다. The said sintered compact was formed into a film on the glass substrate by the same method as Example 1 as a target material. The properties of the obtained film were as shown in Table 5.
[비교예 1]Comparative Example 1
In2O3 약 305 g과 SnO2 약 46 g과의 혼합 가루를 1400 ℃에서 열처리한 후, HF 수용액(농도 약 4.7 %)에 첨가하고 증발 건조한 후, 500 ℃에서 열처리한 원료 혼합물 약 350 g을 직경 10 cm의 원통형 지그에 균일하게 넣고, 약 50 MPa에서 가압 성형한 후, 성형체를 지그로부터 추출하여 통상의 전기로로 1400 ℃에서 2 시간 소결하였다.About 350 g of the mixed powder of In 2 O 3 and about 46 g of SnO 2 was heat-treated at 1400 ° C., added to an aqueous HF solution (concentration of 4.7%), evaporated to dryness, and then about 350 g of the raw material mixture heat-treated at 500 ° C. Was uniformly placed in a cylindrical jig having a diameter of 10 cm, press-molded at about 50 MPa, and then the molded body was extracted from the jig and sintered at 1400 ° C. for 2 hours in a normal electric furnace.
얻어진 소결체는 직경 약 10 cm, 두께 약 1.4 cm의 원반상이였고, 그 밀도는 IT0의 이론 밀도(약 7.1 g/cm3)의 약 45 %에 상당하는 3.2 g/cm3라는 낮은 값이었다. 이 소결체는 도 2에 나타낸 X선 회절 패턴으로부터 명확한 바와 같이, ITO만으로 구성되어 있었다.The obtained sintered compact had a disk shape of about 10 cm in diameter and about 1.4 cm in thickness, and the density was a low value of 3.2 g / cm 3 , which corresponds to about 45% of the theoretical density (about 7.1 g / cm 3 ) of IT0. This sintered compact was comprised only in ITO, as is clear from the X-ray-diffraction pattern shown in FIG.
또한, 소결체를 원소 분석한 결과, 상기 표 1에 나타낸 바와 같이 불소가 거의 함유되지 않았다는 것을 알 수 있었다. 이는 1400 ℃에서의 소결 중에 불소가 이탈됨에 의한 것이라고 생각되었다.In addition, as a result of elemental analysis of the sintered compact, it was found that almost no fluorine was contained as shown in Table 1 above. This was thought to be due to fluorine release during sintering at 1400 ° C.
이상의 결과로부터, 통상의 전기로에 의한 소결 방법에서는 F-ITO 소결체를 제조할 수 없다는 것이 명확하였다.From the above result, it was clear that the F-ITO sintered compact could not be manufactured by the normal sintering method by an electric furnace.
[비교예 2]Comparative Example 2
불소를 함유하지 않는 통상의 ITO 타겟(밀도 6.7 g/cm3, 상대 밀도 약 94 %)을 이용하여, 실시예 1과 동일한 조건하에서 유리 기판 상에 막 형성하였다. 얻어진 막의 특성을 상기 표 2에 나타내었다.Using a conventional ITO target (density 6.7 g / cm 3 , relative density about 94%) containing no fluorine, a film was formed on the glass substrate under the same conditions as in Example 1. The properties of the obtained membrane are shown in Table 2 above.
막의 비저항 및 투광도는 실시예 1에 의한 막과 거의 동등한 값을 나타냈지만, 표면 평활도(ΔZ/d)는 30 % 이상으로, 실시예 1의 경우에 비해 3 이상으로 저하되어 도전성, 투광도 및 표면 평활성 모두 높은 박막을 얻을 수 없었다.The resistivity and light transmittance of the film showed almost the same values as those of the film obtained in Example 1, but the surface smoothness (ΔZ / d) was 30% or more. All of them could not obtain a high thin film.
본 발명에 의하면, 고밀도의 F-ITO 소결체를 단시간에 안정적으로 제조할 수 있다.According to this invention, a high density F-ITO sintered compact can be manufactured stably in a short time.
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