KR20210008689A - 고순도 ｉｔｏ 타겟 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 실시예의 고순도 ＩＴＯ 타겟 제조 방법은, 주석과 인듐 금속을 혼합하여 합금화 분말을 제조하는 단계와, 상기 분말을 스테인레스 스틸로 제작된 몰드에 넣은 다음, 기설정된 압력으로 일축성형하고, 물을 매개로 정수압 성형하여 분말 성형체로 형성하는 단계와, 상기 분말 성형체에 대해서 SiC로 제작된 몰드에 넣은 다음, 기설정된 압력으로 1차 소결공정으로서, 가압 예비 열처리를 수행하는 단계와, 상기 1차 성형 공정을 수행한 다음, 상기 소결체를 넣어 2차 소결공정을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 1차 소결 공정은, 1,000~1,100℃에서 열처리를 수행하는 1차 열처리 공정과, 1,500~1,550℃에서 외압없이 열처리를 수행하는 2차 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고순도 ＩＴＯ 타겟 제조 방법{Manufacturing method of high purity ITO target}

본 발명은 기상합성과 2단계 소결공정을 통하여 고순도의 ITO 타겟용 분말을 제조할 수 있는 방법에 관한 것으로서, 그 제조 공정을 간소화하면서도 합금 분말의 응집성, 입자크기 및 분포 등의 특성이 우수하게 제조되는 방법에 관한 것이다.

ITO(인듐-주석의 복합산화물) 막은 액정 디스플레이를 중심으로 하는 표시 디바이스의 투명 전도막으로서 널리 사용되고 있다. 상기 ITO 막을 형성하는 방법으로는 조작성이나 막의 안정성이 우수한 마그네트론 스퍼터링법이 주로 사용되고 있다.

ITO 스퍼터링 타겟은 일반적인 세라믹스 공정을 이용하여 제조된다. 이 때 원료는 나노급 세라믹분말을 이용하며 혼합, 성형, 소결, 가공, 본딩 순의 세라믹스 공정을 이용하여 제조한다.

기존의 ITO 타겟에 있어서는, 산화인듐분말과 산화주석분말을 물리적으로 혼합하여 사용한다. 스퍼터링 타겟은 소결밀도가 높아야 하며, 성분의 균질성 확보가 매우 중요하다. 각각의 특성은 원료로 사용되는 세라믹 미세분말의 특성에 좌우되는 경우가 많아 원료의 개발은 소결기술과 함께 중요한 기술사항으로 분류된다.

스퍼터링을 활용하여 디바이스를 제조하는 때에, 노듈과 파티클이 발생하는 경우가 많으며, 이것은 디스플레이의 양품율을 감소시키고 화소불량 등 다양한 생산성의 문제점을 야기한다. 따라서, 대부분의 스퍼터링 타겟을 제조하는 타겟제조사들은 이를 극복하기 위해 고밀도, 조성의 균질성, 표면의 청정도를 중심으로 개선하는 노력이 진행되고 있고, 최근 조성의 균질성의 중요도가 높아지고 있는 실정이다.

인듐과 주석이 균일하지 않으면 전기전도도의 불균일을 유도하며, 이로 인하여 타겟의 식각도 불균일하다.

본 발명은 투명전도체용 타겟의 원료분말인 인듐과 주석을 분말 입자내에서 합금화된 상태로 제조할 수 있도록 하는 목적으로 하며, 기상법으로 입자의 크기가 미세하면서도 응집성이 적으며, 타겟 내 성분의 균질성을 확보할 수 있는 고순도 ＩＴＯ 타겟의 제조 방법을 제안하고자 한다.

본 실시예의 고순도 ＩＴＯ 타겟 제조 방법은, 주석과 인듐 금속을 혼합하여 합금화 분말을 제조하는 단계와, 상기 분말을 스테인레스 스틸로 제작된 몰드에 넣은 다음, 기설정된 압력으로 일축성형하고, 물을 매개로 정수압 성형하여 분말 성형체로 형성하는 단계와, 상기 분말 성형체에 대해서 SiC로 제작된 몰드에 넣은 다음, 기설정된 압력으로 1차 소결공정으로서, 가압 예비 열처리를 수행하는 단계와, 상기 1차 성형 공정을 수행한 다음, 상기 소결체를 넣어 2차 소결공정을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 1차 소결 공정은, 1,000~1,100℃에서 열처리를 수행하는 1차 열처리 공정과, 1,500~1,550℃에서 외압없이 열처리를 수행하는 2차 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

제안되는 바와 같은 제조 방법에 의해서, 고순도 ITO 타겟용 분말의 제조가 단순한 공정을 통해 가능해지며, 특히, 높은 수율과 상압에서 산화가 가능하여 설치비용의 감소와 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고순도 ＩＴＯ 타겟 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 제조된 성형체 시편의 상대 밀도를 보여주는 그래프이다.
도 3는 본 실시예에 따라 소결체를 가압하기 위한 몰드를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따라 열처리 공정을 수행한 경우와 수행하지 않은 경우의 기공 크기를 보여주는 사진이다.
도 5는 인듐과 주석의 비율에 따른 비표면적과 생산수율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 인듐과 주석의 혼합 비율에 따른 X-ray 회절 특성 실험결과를 보여주는 그래프이다.

이하에서는, 본 발명의 기술적 특징을 첨부되는 도면과 함께 상세히 설명하여 본다.

기존의 ITO 타겟 제조는 분말의 혼합, 건조, 하소 및 분쇄 공정을 포함하였으나, 본 발명에 있어서는 이러한 기존의 공정을 혼합과 산화 공정으로 이루어지도록 단축할 수 있으며, 공정의 단축에도 불구하고 입자의 크기가 미세하면서도 응집성이 적은 분말의 제조가 가능하여 고품질의 ITO 타겟 제조가 가능한 특징이 있다.

본 발명에서는, 인듐과 주석의 혼합과, 이들 혼합물의 산화 공정을 통해서 제조되는 산화인듐주석 분말에 대하여 원하는 모양으로 성형한 뒤 1차 소결 공정과, 2차 소결 공정을 수행하는 것을 특징으로 하며, 이러한 공정을 통해 제조 공정이 단순해지고 수율이 우수하며, 물질 자체가 고증기압이기 때문에 상압에서 산화가 가능해진다.

그리고, 높은 압력을 견뎌야 하는 반응기를 사용하지 않아도 되기 때문에, 산화분말의 제조를 위한 설비 비용의 감소와 안정성을 높일 수 있다.

특히, ITO 합금 분말의 제조시에 투입되는 산 또는 염기성의 유해물이 형성되지 않으며, 분말 제조 후 폐원료를 본 실시예의 제조 공정으로 라사이클할 수 있어 친환경적이라는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고순도 ＩＴＯ 타겟의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

실시예의 제조 방법은 주석 금속과 인듐 금속을 혼합하는 분말 제조 공정(S10)과, 분말을 성형체로 형성하는 성형 공정(S20)과, 성형체를 산화/소결시키는 소결 공정(S30)을 포함한다.

1. 분말 제조

본 실시예에서는 고순도의 ITO 타겟 분말이 제조되는데, 이하의 실시예에서는 인듐과 주석의 혼합비율(중량비)은 9:1이 되도록 하였다. 다만, 고객사의 요청에 따라 인듐과 주석의 혼합비율은 다양하게 변경될 수 있음은 물론이다.

2. 성형체 성형

성형체 성형은 특별히 제한되지는 않으며, 고객사의 요청이나 제조사의 선택에 따라 원형, 직사각형 등 다양하게 성형될 수 있다.

예를 들면, 본 실시예에서 시편은 1g의 분말을 칭량하고, 스테인레스 스틸로 제작된 직경 12.7mm의 몰드에 넣은 다음, 1MPa로 일축 성형한 다음, 디스크 형태인 시편을 고무 주머니에 넣고 물을 매개로 100MPa로 정수압 성형한다.

도 2는 제조된 성형체 시편의 상대 밀도를 보여주는 그래프이고, 도시된 바와 같이 본 실시예에 따라 제조된 시편의 상대밀도는 60.13 ~ 67.37%범위를 갖는다.

3. 소결 공정

본 실시예에서는 소결 공정(S30)이 1차 소결 공정에 해당하는 예비 소결 공정과, 2차 소결 공정에 해당하는 본 소결이 순차적으로 수행된다.

먼저, 분말 성형체에 대하여 1차 소결 공정으로서 가압 예비 열처리가 수행된다. 1차 소결 공정은 도 3에 도시된 바와 같은 몰드를 이용하여 소결체에 대한 가압이 이루어지며, 도시된 몰드는 실리콘카바이드(SiC) 재질로 이루어져 있으며, 상기 몰드는 1,000~1,100℃의 온도를 견딜 수 있으며 내경은 1.5cm 가 되도록 제작되었다.

상기 몰드에 상하 두 개의 펀치가 구성되고, 컴프레서로부터 전달되는 압력을 전달할 수 있도록 구성되었으며, 몰드 펀치와 시편(소결전의 성형물) 사이에는 알루미나 분말이 배치되도록 한다.

여기서, 알루미나 분말은 상기 몰드 펀치를 1,000~1,100℃에서 가압할 때 시편이 몰드 펀치와 접합후 분리하기 쉽도록 하는 역할을 수행한다.

앞서 인듐과 주석의 비율에 따라 치밀화 거동을 분석한 결과를 이용하며, 타겟으로의 활용을 위해서는 기공이나 이차상과 같은 전기적 불균질 요소의 제거가 긴요하다. 이를 위해서는 보다 치밀한 타겟을 제조할 필요가 있으며 특히 미세한 입자로 구성되도록 할 필요가 있다.　 이는 타겟을 사용하는 중에 불균질한 식각에 노듈(nodule)이 성장할 수 있으며, 이것은 파티클 형성을 야기하여 제품의 불량 원인이 되기 때문이다. 본 발명에서는 상기의 2차 소결 공정을 수행함으로써, 치밀화와 더불어 입성장 억제를 도모했다.

상기의 몰드를 이용한 가압 예비 열처리 공정을 수행하는 때에, 열처리 스케쥴은 다음과 같다.

1MPa의 압력을 가한 조건에서 1,000~1,100℃로 10분간 열처리하고 1,500~1,550℃에서 외압없이 2시간 동안 본 소결을 진행했다. 이때 승온속도는 모두 5℃/min으로 유지했다.

특히, 본 실시예에 따르면, 1차 소결 공정에서의 열처리 공정은 상이한 온도 조건과 시간에서 1차 열처리와, 2차 열처리가 수행되는데, 이것은 고품질 ITO 타겟을 제조하기 위하여 상대밀도가 높은 시편을 제조하기 위함이다.

소결의 시편 내에는 기공이 형성되는데, 동일한 부피의 기공(기공율)이라도 할지라도 큰 크기의 기공보다 작은 크기의 기공의 수가 많을수록 치밀화에 유리하기 때문이다. 그리고, 1차 소결 공정에서의 이러한 열처리를 통해 기공의 크기가 작아진 경우에는, 2차 소결 공정인 본 소결 공정에서도 상대밀도에 큰 영향을 미친다.

도 4는 본 실시예에 따라 열처리 공정을 수행한 경우와 수행하지 않은 경우의 기공 크기를 보여주는 사진이다.

도 4에는 일반 소결 공정을 1,500℃에서 수행한 경우(A), 1,000~1,500℃에서 앞서 설명한 바와 같은 1차 열처리와 2차 열처리를 수행한 경우(B), 및 1,100~1,500℃에서 1차 열처리와 2차 열처리를 수행한 경우(C)가 도시되어 있다.

B와 C의 경우는 서로 큰 차이는 보이지 않지만, 1,000~1,100℃에서 1차 열처리를 수행하고, 1,500~1,550℃에서 외압없이 2차 열처리를 수행함에 따라 타겟의 상대밀도가 표 1의 실험결과와 같이 크게 낮아짐을 확인할 수 있다.

상기와 같은 1차 소결 공정(예비 소결)을 진행한 다음에는, 2차 소결 공정(본 소결)을 수행하며, 2차 소결 공정은 다음과 같이 수행된다.

위의 표 2는 본 실시예에 따라 제조된 고순도 ITO 분말의 입자 크기를 확인한 실험 결과이며, 1,450℃에서 실험을 진행한 결과를 In:Sn 비율로 나타낸 것이다.

위의 표 2에서와 같이, D₁₀ 0.1㎛, D₅₀ 0.7㎛, D₉₀ 1.5㎛ 이하의 입자크기를 갖는 것을 확인하였으며, 비표면적 9.7 ~ 10.7 m²/g범위를 갖는다. 이러한 입자크기와 비표면적을 갖는 분말은 매우 치밀한 정도이며, 고순도 ITO 타겟 제조를 위한 분말로서 우수한 성능을 갖는다.

도 5는 인듐과 주석의 비율에 따른 비표면적과 생산수율을 나타내는 그래프이다. 도 5에 나타난 바와 같이, 인듐의 함량이 증가할수록 생산수율이 감소하는 경향이 나타났으며, 반대로 비표면적은 증가하게 되는 특성을 확인하였다.

도 6은 인듐과 주석의 혼합 비율에 따른 X-ray 회절 특성 실험결과를 보여주는 그래프이다.

도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 주석(Sn) 함량이 50~15wt% 첨가 되었을 때 이차상(second phase)로 SnO₂ Peak가 관찰되었으며, 주석 함량이 10wt% 이하부터 순수한 ITO Peak만 관찰되었다. 이러한 실험데이터로부터 ITO 합성에 대해서 Sn 함유량 한계를 알 수 있다.

따라서, Sn의 고용한계는 10wt%가 바람직하며, Sn의 함량은 10wt% 이하로 첨가하였을 때 고순도 ITO 타겟 제조할 수 있다.

Claims (4)

1. 주석과 인듐 금속을 혼합하여 합금화 분말을 제조하는 단계와,
   상기 분말을 스테인레스 스틸로 제작된 몰드에 넣은 다음, 기설정된 압력으로 일축성형하고, 물을 매개로 정수압 성형하여 분말 성형체로 형성하는 단계와,
   상기 분말 성형체에 대해서 SiC로 제작된 몰드에 넣은 다음, 기설정된 압력으로 1차 소결공정으로서, 가압 예비 열처리를 수행하는 단계와,
   상기 1차 성형 공정을 수행한 다음, 상기 소결체를 넣어 2차 소결공정을 수행하는 단계를 포함하고,
   상기 1차 소결 공정은, 1,000~1,100℃에서 열처리를 수행하는 1차 열처리 공정과, 1,500~1,550℃에서 외압없이 열처리를 수행하는 2차 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 ＩＴＯ 타겟 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 1차 소결 공정은 실리콘카바이드 재질로 이루어진 몰드 내에 상기 분말 성형체를 투입하여 열처리를 수행하고,
   상기 몰드는 상하로 배치되는 두 개의 펀치로 구성되는 것을 특징으로 하는 고순도 ＩＴＯ 타겟 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기의 두 개의 펀치 사이에는 상기 분말 성형체와 펀치 사이의 접합 후 분리를 용이하게 하기 위한 알루미나 분말이 배치되고,
   상기의 펀치는 1,000~1,100℃의 범위의 온도에서 상기 분말 성형체를 가압하도록 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 고순도 ＩＴＯ 타겟 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 주석과 인듐 금속을 혼합하는 단계는, 상기 주석의 함량을 10wt% 이하가 되는 것을 특징으로 하는 고순도 ＩＴＯ 타겟 제조 방법.
   

Images