CN100467384C - 以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法 - Google Patents

Abstract

一种以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法，对于各种不同的透明导电氧化粉末(ITO、ZnO、In₂O₃、SnO₂)皆可应用，其较佳实施步骤为：将提供制作透明导电氧化粉末的金属原料熔融成金属熔液；再以气喷法将该金属熔液制成金属粉末；最后，加温氧化该金属粉末，并控制热处理的制程参数，以获得所需氧化程度的透明导电氧化粉末。本方法可简化制程、降低成本、避免产生任何工业废水以及其它污染的副产品。

Description

以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法

发明领域

本发明涉及以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法，尤指一种以气喷法依合金成分配比制作透明导电氧化物(TransparentConducting Oxide)的原料粉末，再将该合金粉末予以筛分，得到适当的粉末粒径，最后以此粉末进行必要的高温氧化以形成充分氧化的氧化物粉末。

背景技术

在传统光学镀膜(Optical coating)及较先进的显示器产业(LCD液晶显示器)等产业中，必须大量使用所谓透明导电玻璃，亦即必须在特殊玻璃上镀上一层透明导电的材料，目前最常被大量使用的透明导电材料为氧化铟锡(Indium-Tin-Oxide，ITO)，而最常使用的制备方法是以氧化铟锡(ITO)溅镀靶以物理溅镀的方式形成透明导电膜。而要制造氧化铟锡溅镀靶就必须先制造氧化铟锡粉末，再经过高温高压烧结而形成溅镀靶。在过去各大厂家制作氧化铟锡或其它透明导电氧化粉末都是使用化学还原法或化学热分解的方式制作，其制作过程繁琐且昂贵。

请参阅美国专利字第5417816号(日本Nikko Materials公司所有)所述，其制作氧化铟锡(ITO)粉末的步骤为：(1)将铟-锡原料熔炼以形成铟-锡铸锭；(2)将铟-锡铸锭于NH₄NO₃溶液中进行电解，以生成氢氧化铟(Indium Hydroxide)和氢氧化锡(Tin Hydroxide)；(3)将氢氧化铟和氢氧化锡进行固液分离(Filtering)；(4)将固体的氢氧化铟和氢氧化锡使用大量纯水进行洗涤(Rinsing)，以制成氢氧化铟和氢氧化锡泥浆；(5)将氢氧化铟和氢氧化锡泥浆干燥及粉碎；(6)将粉碎后的氢氧化铟和氢氧化锡进行筛分后再进行锻烧(Calcination)以获得氧化铟锡(ITO)粉末。

很明显地，使用已知的制造透明导电氧化粉末的方法，其生产所需步骤繁杂，造成制作困难度增加，所需成本自然也较高，从而影响其竞争力；且在上述制作过程中，会产生大量工业废水，造成污染的问题；又其必须使用大量的纯水，亦会增加制造所需的成本。以上种种问题，皆是工业应用中，各大厂家所极欲解决的问题。

国内LCD平面显示器的制造产业已占全世界的重要地位，因此在透明导电薄膜的溅镀靶材的使用量也大幅增加，相对的对于溅镀靶的原料-透明导电氧化粉末，例如：ITO、ZnO、In₂O₃、SnO₂等的粉末需求亦大幅增加。

发明内容

本发明的一个目的是为了提供一种以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法，可依所需的合金成分按比例调配制作透明导电氧化粉末。

本发明的再一个目的是为了提供一种以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法，可通过粉体氧化热处理的制程参数调整粉末的氧化程度。

本发明的再一个目的是为了提供一种以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法，以简化制程、降低成本。

本发明的再一个目的是为了提供一种以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法，可避免产生任何工业废水，以及其它污染的副产品。

本发明为达上述目的，故提出一种以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法，它包括将提供制作透明导电氧化粉末的金属原料熔融成金属熔液；以气喷法将该金属熔液制成金属粉末；加温氧化该金属粉末，并控制热处理的工艺参数，以获得所需氧化程度的透明导电氧化粉末。

气喷法，顾名思义即是利用气体当喷雾媒介，将熔融的金属熔液打散成小液滴或利用离心力将其摔散成小液滴，再经冷却凝固成为金属粉末的方法。其常用的气体有空气及惰性气体，如氮气、氩气等，且所需的气体喷雾装置可分为水平式和垂直式两种。

所制粉末的粒径的大小和喷雾条件的关系实验式如下：

$D=\frac{C}{V}{[\mathrm{\γ}/{\mathrm{\ρ}}_m]}^{0.22}{[U_m/{\mathrm{\ρ}}_m]}^{0.57}$

其中，D：粉末粒径

      C：喷嘴几何常数

      V：喷雾气体的速度

      U_m：金属熔融体的粘度

      ρ_m：金属熔融体的密度

      γ：金属熔融体的表面张力

由上式可知，所制粉末粒子的大小和喷雾气体的速度成反比例的关系，亦即喷雾气体的速度愈快，所制粉末粒径愈小，亦可使用不同的控制参数，来控制粉末粒径大小。

较佳者，即一种以气喷法制作透明导电氧化铟(In)锡粉末的方法，包括将金属铟(In)和锡(Sn)同时加热至600℃-800℃之间，使其熔融成铟-锡混合熔液；以气喷法将该铟-锡混合熔液制成铟-锡混合粉末；加热至850℃持续2小时，使该铟-锡混合粉末完全氧化，以制得氧化铟锡(Indium-Tin-Oxide；ITO)粉末。

本发明的以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法对于各种不同的透明导电氧化粉末(ITO、ZnO、In₂O₃、SnO₂)皆可应用。

本发明的以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法不但制程简单，且其只需于空气中加热氧化，靠控制热处理的工艺参数，即可获得所需的氧化程度，故可降低成本，且其更可避免产生任何工业废水，以及其它污染的副产品，因而彻底改善了已知技术的所有缺点。

下面结合实施例进一步对本发明作更深入的说明。

附图说明

其中，附图1为本发明以气喷法制作透明导电氧化粉末的流程图。

附图2为本发明的气喷法所使用的气体喷雾装置示意图。

附图3为本发明以气喷法制作氧化铟锡(ITO)粉末的流程图。

附图4为本发明以气喷法制作三氧化二铟(In₂O₃)粉末的流程图。

附图5为本发明以气喷法制作二氧化锡(SnO₂)粉末的流程图。

附图6为本发明以气喷法制作氧化锌(ZnO)粉末的流程图。

其中，附图中标号分别表示为：

1为原料准备；

  1a为金属铟(In)，金属锡(Sn)；

  1b为金属铟(In)；

  1c为金属锡(Sn)；

  1d为金属锌(Zn)；

2为气喷法制粉；

  2a为将金属铟-锡熔融为金属铟-锡熔液，以气喷法制粉；

  2b为将金属铟熔融为金属铟熔液，以气喷法制粉；

  2c为将金属锡熔融为金属锡熔液，以气喷法制粉；

  2d为将金属锌熔融为金属锌熔液，以气喷法制粉；

3为粉体收集、筛分；

  3a为收集、筛分铟-锡粉末；

  3b为收集、筛分铟粉末；

  3c为收集、筛分锡粉末；

  3d为收集、筛分锌粉末；

4为高温氧化粉体；

  4a为高温氧化铟-锡粉末；

  4b为高温氧化铟粉末；

  4c为高温氧化锡粉末；

  4d为高温氧化锌粉末；

5为完成透明导电氧化粉末；

  5a为制得氧化铟锡(ITO)粉末；

  5b为制得三氧化二铟(In₂O₃)粉末；

  5c为制得二氧化锡(SnO₂)粉末；

  5d为制得氧化锌(ZnO)粉末；

6为垂直式气体喷雾装置；

  60为感应融炼炉；

  600为坩锅；

  601为加热器；

  61为喷嘴；

  62为喷雾仓；

  63为粉末收集仓；

7为金属熔液；

  70为中空状圆锥体；

  71为金属粉末；

8为高压气体。

一种以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法，其较佳实施步骤如图1所示：

(a)原料准备1：依所欲制得不同的透明导电氧化粉末，例如：ITO、ZnO、In₂O₃、SnO₂等，来准备所需的不同金属原料。

(b)气喷法制粉2：将所需的不同金属原料置入气体喷雾装置中，以进行气喷法制造金属粉末，此时所得的金属粉末只有表面稍微氧化。

(c)粉体收集、筛分3：将步骤(b)所制得的金属粉末收集起来后，进行筛分以留下符合所需粒径的粉末，其总计材料产出率(Yield)在85％以上。

(d)高温氧化粉体4：将步骤(c)中筛分好的金属粉末依不同的需求，施以不同时间及温度的高温氧化，并控制热处理的工艺参数，以获得所需的氧化程度。

(e)完成透明导电氧化粉末5：经过步骤(d)的高温氧化，已使得金属粉末完全氧化，从而制得所需氧化程度的透明导电氧化粉末。

下面以垂直式气体喷雾装置为例说明气喷过程。

具体实施方式

如图2所示的本发明的气喷法所使用的气体喷雾装置示意图。垂直式气体喷雾装置6，是将金属原料放入感应融炼炉60的坩锅600中，利用感应融炼炉60的加热器601加热，使金属原料熔融成金属熔液7，并利用通入的高压气体8，使金属熔液7由喷嘴61快速喷出，由于金属熔液7在喷嘴61出口处受到高压气体8快速膨胀的作用，于喷雾仓62中形成中空状圆锥体70向外发散，若金属熔液7有充分的过热度且又受到剪应力及加速力的作用，首先形成韧带状，随后则形成球形的金属粉末71集中在粉末收集仓63中。

如图3所示的本发明以气喷法制作氧化铟锡(ITO)粉末的流程图，其步骤如下：

(a)金属铟(In)，金属锡(Sn)1a：将纯度99.99％的纯铟(In)及纯锡(Sn)依成分比例准备完成。

(b)将金属铟-锡熔融为金属铟-锡熔液，以气喷法制粉2a：将步骤(a)准备完成的原料，置入气体喷雾装置中进行气喷法制粉，该气体喷雾装置所使用的喷嘴材质为氮化硼(BN)，口径为2.5-4.0mm，坩锅则采用氧化锆为材料。将金属铟-锡置于坩锅中加热至600-800℃，使金属铟-锡熔融为金属铟-锡熔液，且喷嘴以水流通进行冷却，并以纯氧(O₂)进行喷雾，喷雾压力设定为80-90kg/cm²，该气喷法制造铟-锡粉末的雾化过程，总共历时约2-4分钟。

(c)收集、筛分铟-锡粉末3a：将铟-锡粉末收集并进行筛分，总计材料产出率(Yield)为90％，粉末粒径分布在40-100μm，由铟-锡粉末的外观颜色即可判定此铟-锡粉末尚未完全氧化，即便使用纯氧来进行喷雾，其制粉的过程相当快速，故铟-锡粉末并未完全氧化。

(d)高温氧化铟-锡粉末4a：将步骤(c)所筛分完成的铟-锡粉末置入大气炉中，通入空气，加热至750℃-950℃之间，加热氧化所需的时间为1-3小时。本实施例中，采用加热温度为850℃、热处理2小时，使铟-锡粉末在高温中氧化。

(e)制得氧化铟锡(ITO)粉末5a：经过步骤(d)的高温氧化后，此时铟-锡粉末由原先的灰铁色变成完全氧化的黄色，经XRD分析可知，制得了氧化铟锡(ITO)粉末。

如图4所示的本发明以气喷法制作三氧化二铟(In₂O₃)粉末的流程图，其步骤如下：

(a)金属铟(In)1b：将纯度99.99％的纯铟(In)准备完成。

(b)将金属铟熔融为金属铟熔液，以气喷法制粉2b：将步骤(a)准备完成的原料，置入气体喷雾装置中进行气喷法制粉，该气体喷雾装置亦是采用垂直式气体喷雾装置，则可制得铟粉末。

(c)收集、筛分铟粉末3b：将铟粉末收集并进行筛分；当然此时的铟粉末亦尚未完全氧化，其含氧量为0.35wt％。

(d)高温氧化铟粉末4b：将步骤(c)所筛分完成的铟粉末置入大气炉中，通入空气，进行高温中氧化，其分别选择不同条件：800℃*4Hr(小时)、800℃*8Hr(小时)、800℃*12Hr(小时)。

(e)制得三氧化二铟(In₂O₃)粉末5b：经过步骤(d)的高温氧化后，再经分析不同条件所制得的三氧化二铟粉末可知：800℃*4Hr(小时)所制得的三氧化二铟粉末含氧量为16.9wt％、800℃*8Hr(小时)所制得的三氧化二铟粉末含氧量为18.7wt％、800℃*12Hr(小时)所制得的三氧化二铟粉末含氧量为17.2wt％，故可知由控制高温氧化的条件，来获得不同需求的三氧化二铟粉末。

如图5所示的本发明以气喷法制作二氧化锡(SnO₂)粉末的流程图、如图6所示的本发明以气喷法制作氧化锌(ZnO)粉末的流程图中可以看出，其所采用的流程均与前面的步骤相类似，只是采用的原料不同，以及欲制作的粉末亦不同，亦表示出本发明以气喷法制作透明导电氧化粉末的方法，对于制造各种不同的透明导电氧化粉末皆可应用，不但制程简单，且其只需于空气中加热氧化，靠控制热处理的工艺参数，即可获得所需的氧化程度，故可降低成本，且其更可避免产生任何工业废水，以及其它污染的副产品，因而彻底改善了已知技术的所有缺点。

本发明的图式与描述以较佳实施例说明如上，容易联想得到，诸如：使用其它原料制作透明导电氧化粉末，或是先将原料熔融成熔液，才放入气体喷雾装置中进行气喷法制粉等等，熟悉此领域技艺者于领悟本发明的精神后，皆可想到变化实施的，故本发明较佳实施例的说明仅用于帮助了解本发明，非用以限定本发明的精神，在不脱离本发明的精神范围内，当可作些许更动润饰及同等的变化替换，其亦不脱离本发明的精神和范围。

Claims (2)

1、一种以气喷法制作透明导电三氧化二铟粉末、二氧化锡粉末、氧化铟锡粉末、氧化锌粉末的方法，其特征在于步骤包括如下:

a、将提供制作透明导电氧化粉末的金属原料铟、锡、锌或它们所构成的群组熔融成金属熔液；

b、以气喷法将该金属熔液制成金属粉末；

c、加温氧化该金属粉末，以制成透明导电氧化粉末。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于其步骤包括有:

a、将金属铟和锡同时在600℃-800℃温度范围之间加热熔融成铟-锡混合熔液；

b、以气喷法将该铟-锡混合熔液制成铟-锡混合粉末；

c、将步骤b所得的铟-锡混合粉末在750℃-950℃温度范围之间加热1-3小时，制得氧化铟锡粉末。

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