KR20100075193A - 인듐-갈륨-아연 금속산화물계 조성물, 이를 이용한 소결체 및 투명 도전성막 - Google Patents

인듐-갈륨-아연 금속산화물계 조성물, 이를 이용한 소결체 및 투명 도전성막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인듐-갈륨-아연 금속산화물에 관한 것으로 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 금속산화물로 이루어진 조성물에 있어서, 상기 금속산화물의 인듐, 갈륨 및 아연은 원자비로 0.20 ≤ (In+Ga)/(In+Ga+Zn) ≤ 0.70 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 조성물, 이를 이용한 소결체 및 투명 도전성막이 제공된다.
투명, 투명전극, 도전성, 전도성, ITO, IGZO, 박막

Description

인듐-갈륨-아연 금속산화물계 조성물, 이를 이용한 소결체 및 투명 도전성막{CONDUCTING MATERIALS OF IN-GA-ZN OXIDE COMPOUNDS AND THEIR SYNTHETIC METHOD}
본 발명은 투명 도전성 박막 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 저저항 투명 도전성 박막의 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유리, 세라믹, 또는 플라스틱의 소재표면에 코팅되어 투명성과 도전성이 우수한 박막을 형성시키도록 개선된 인듐-갈륨-아연 금속산화물 복합체의 조성물 및 이를 이용하여 제조된 투명 도전성 막에 관한 것이다.
투명 도전성 박막은 전기전도도가 높고 가시광선 투과율이 높아 액정디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이(PDP), 유기발광디스플레이(OLED), 터치패널 등에 널리 사용되고 있으며, 전자파 흡수 및 차폐, 발열체, 태양전지, 정전기방지 등에도 광범위하게 사용되고 있다.
투명 도전성 박막의 제조에 가장 많이 쓰이고 있는 재료는 산화인듐(In2O3) 에 산화주석(SnO2)이 3~10wt% 도핑된 인듐주석산화물(ITO)이다. ITO막을 제조하는 공지된 방법들로는 분사(Spray), 진공기화(Vacuum Evaporation), 스퍼터링 (Sputtering) 및 이온플레이팅(Ion Plating) 등이 있으며, 상업적으로는 스퍼터링방법이 가장 많이 쓰이고 있다.
상기 방법들로 제조된 ITO막은 투명성이나 도전성이 우수할 뿐만 아니라 에칭성이 우수하고 기판과의 밀착성도 좋아 현재 가장 많이 사용되고 있다. 하지만, 인듐은 희소자원일 뿐 아니라 생체에 유해하며, ITO타겟을 스퍼터링할 때 노듈 발생의 원인이 되기도 한다. 이와 같은 자원의 희소성, 인체유해성, 스퍼터링시 노듈 발생 문제 때문에 ITO중의 인듐을 저감시키거나 ITO를 대체할 수 있는 대체물질에 대한 연구가 필요하다.
이러한 필요성에 대응한 새로운 투명전극소재에 대한 연구는 불소 또는 안티모니가 도핑된 산화주석(FTO, ATO), 알루미늄이나 갈륨 또는 인듐이 도핑된 산화아연(AZO, GZO, IZO) 등에 대해 진행되고 있다.
그러나 이들 또한 고가의 비용이 소모되는 등의 문제가 발생하고 있으며, 경제적인 방법으로 고투명도 및 고전도성을 갖는 투명 전도성 박막을 안정적으로 얻을 수 있는 방안에 대한 연구가 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 인듐-갈륨-아연을 포함하는 금속산화물로 이루어진 조성물에 있어서 인듐, 갈륨 및 아연의 원자비를 적정 범위로 조절함으로서 경제적으로 고투명도 및 고전도도 특성을 갖는 금속산화물 조성물, 이를 이용한 소결체 및 투명 도전성 막을 제공하는 것을 그 목적으로 하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 금속산화물 조성물은 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 금속산화물로 이루어진 조성물에 있어서, 상기 금속산화물의 인듐, 갈륨 및 아연은 원자비로 0.20 ≤ (In+Ga)/(In+Ga+Zn) ≤ 0.70 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 다른 양상에 의한 본 발명의 소결체는 인듐, 갈륨, 아연 및 산소를 포함하는 금속산화물로 이루어진 조성물을 이용한 소결체에 있어서, 상기 금속산화물의 인듐, 갈륨 및 아연은 원자비로 0.20 ≤ (In+Ga)/ (In+Ga+Zn) ≤ 0.70 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 양상에 의한 본 발명의 투명 도전성막은 기판상에 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 금속산화물로 이루어진 코팅층이 형성된 도전성막에 있어서, 상기 금속산화물의 인듐, 갈륨 및 아연은 원자비로 0.20 ≤ (In+Ga)/(In+Ga+Zn) ≤ 0.70 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 코팅층은 두께가 5000Å 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 인듐-갈륨-아연 금속산화물 조성물 및 이로부터 제조된 도전성막에 의하면 80% 이상의 높은 가시광선 투과율을 가지며, 전기전도도가 높은 도전성 막을 경제적으로 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 금속산화물 조성물은 기판과의 접합성이 좋아 LCD, PDP, OLED 및 터치패널의 전극으로 효과적으로 사용될 수 있으며, 전자파 차폐재, 발열체, 태양전지 등에도 사용될 수 있어 높은 산업적 이용가치를 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 인듐-갈륨-아연 금속산화물 조성물, 소결체 및 투명 도전성막을 상세히 설명한다.
본 발명의 금속산화물 조성물은 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 금속산화물로 이루어진 공지의 조성물에 있어서, 상기 금속산화물의 인듐, 갈륨 및 아연이 원자비로 하기의 조건을 만족하는 것에 그 특징이 있다.
0.20 ≤ (In+Ga)/(In+Ga+Zn) ≤ 0.70
본 발명자는 인듐과 갈륨 및 아연의 원소량에 대한 인듐과 갈륨의 원소량 비율(이하 "원자비"라 함)이 20 ~ 70% 를 만족하는 것이 고투명도 및 고전도도 특성 확보에 유효함을 실험을 통하여 확인할 수 있었다. 실험 내용은 다음과 같다.
<실시예> In-Ga-Zn 금속산화물계 조성물 및 투명 도전성 막의 제조
본 발명자는 In2O3, Ga2O3, 그리고 ZnO를 주성분으로 하는 금속산화물 복합체를 제조하고 이를 스퍼터링하여 투명 도전성 막을 제조하고자 하였다.
이를 위하여 우선 산화인듐(In2O3)과 산화갈륨(Ga2O3) 및 산화아연(ZnO)을 주성분으로 하는 금속산화물 분말들을 각각 적당량 천칭한 다음 잘 혼합하여 혼합물을 만들었다. 이후 금속산화물 분말들을 폴레에틸렌제의 포트에 넣고 에탄올을 충분히 채운 다음 지르코니아(ZrO2) 볼(ball)을 이용하여 24시간 동안 볼밀링(Ball Milling) 방법으로 혼합한 다음 120oC 온도의 플레이트 위에서 충분히 저으면서 건조하였다.
다음으로 혼합물을 금형에 넣고 프레스하여 성형한 후 열처리하여 소결하였으며, 소결된 타겟을 스퍼터링하여 기판에 성막하여 투명 도전성 막을 제조하였다.
이때 건조된 혼합분말을 금형에 넣고, 300Kg/cm2의 압력으로 프레스하여 성형한 다음 대기중에서 소결하였으며, 소결을 위한 승온속도와 온도는 각각 10oC/min, 1450oC 로 하여 6시간동안 수행하였다. 이 성형체의 조성을 EPMA를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
다음으로 진공증착법에 의해 소결체를 기판상에 증착하였다. 진공증착에 사용된 기판은 상온의 유리기판으로 하였으며, 진공증착 과정은 30W의 RF전력으로 5X10-3 Torr의 가스압 상태에서 수행하였다. 아르곤(Ar)의 가스유량은 15 SCCM이었 으며, 산소(O2) 가스유량은 5 SCCM으로 하여 3000Å 두께의 막을 형성하였다.
이와 같이 형성된 도전성 막의 조성을 EPMA를 이용하여 측정하여 분석하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
또한 도전성 막의 전기전도도를 4포인트 프로브 표면저항 측정기를 이용하여 측정하고, 550nm에서의 투과율을 측정하여 투명도 평가를 수행하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
[표 1] 소결체의 조성분석 (atomic %)

구분		 원소조성비 (atomic %)
In Ga Zn O In/
(In+Ga+Zn)		 Ga/
(In+Ga+Zn)		 (In+Ga)/
(In+Ga+Zn)
실시예1 14.28 14.26 14.31 57.15 33.32 33.28 66.60
실시예2 20.25 8.24 14.37 57.14 47.24 19.23 66.47
실시예3 8.26 20.27 14.31 57.16 19.28 47.32 66.60
실시예4 9.10 9.00 27.25 54.65 20.06 19.85 39.91
실시예5 4.05 14.03 27.37 54.54 8.91 30.87 39.78
실시예6 14.02 4.03 27.36 54.59 30.87 8.87 39.74
실시예7 5.86 5.90 35.29 52.95 12.45 12.54 24.99
실시예8 1.85 9.93 35.28 52.94 3.93 21.10 25.03
실시예9 9.91 1.84 35.30 52.95 21.06 3.91 24.97
[표 2] 박막의 조성분석 (atomic %)
구분 원소조성비 (atomic %)
In Ga Zn O In/
(In+Ga+Zn)		 Ga/
(In+Ga+Zn)		 (In+Ga)/
(In+Ga+Zn)
실시예1 13.38 14.40 13.92 58.30 32.09 34.53 66.62
실시예2 20.06 8.08 14.11 57.75 47.48 19.12 66.60
실시예3 8.13 21.15 13.98 56.74 18.79 48.89 67.68
실시예4 9.20 8.87 27.07 54.86 20.38 19.65 40.03
실시예5 4.14 13.98 27.12 54.76 9.15 30.90 40.05
실시예6 13.82 3.88 27.25 55.05 30.75 8.63 39.38
실시예7 5.54 5.76 35.17 53.53 11.92 12.40 24.32
실시예8 2.07 9.53 34.94 53.46 4.45 20.48 24.93
실시예9 10.08 1.64 35.26 53.02 21.46 3.49 24.95
[표 3] 박막의 특성평가
구분 투과율(%) 저항(오옴) XRD 특징 비고
실시예1 92 85 비정질 접합성 양호
실시예2 90 87 비정질 접합성 양호
실시예3 91 85 비정질 접합성 양호
실시예4 91 80 결정질 접합성 양호
실시예5 92 85 결정질 접합성 양호
실시예6 90 83 결정질 접합성 양호
실시예7 89 83 결정질 접합성 양호
실시예8 90 85 결정질 접합성 양호
실시예9 91 86 결정질 접합성 양호
도 1, 도 2, 도 3은 각각 실시예1, 실시예4, 실시예7에 대한 XRD 데이터를 나타낸 도면, 도 4, 도 5, 도 6은 각각 실시예1, 실시예4, 실시예7에 대한 주사전자현미경 데이터를 나타낸 도면, 도 7은 실시예1의 박막에 대한 단면구조를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 7로부터 실시예1은 비정질이며, 실시예4 및 실시예7은 결정질임을 확인할 수 있다.
실시예1~9의 유전체 유리에 대해 X-선 회절 분석기와 전자현미경을 이용하여 분석한 결과, 실시예1~3은 비정질이었고 실시예4~9는 결정질이었다.
상기 표 3에 도시된 바로부터 본 발명의 범위에 속하는 인듐-갈륨-아연 금속산화물 조성물을 이용해 제조한 박막은 가시광선 투과율이 80% 이상이고 전기전도도가 우수함을 확인할 수 있다. 본 발명의 범위에 속하는 도전성 막은 기판과의 접합성도 양호하였다.
한편, 원자비가 20 미만인 13.46(atom %)으로 나타난 도전성 막의 경우 투과율은 91%로 양호하였으나 온도 상승시 저항이 증가되는 등 전도도의 내열특성이 저하되는 문제가 발생하였다. 또한 이 경우 금속산화물이 코팅된 기판의 내화학성 확보가 어려웠으며, 에칭이 과다하게 이루어짐으로 인해 양호한 박막을 얻을 수 없었 다.
또한 원자비가 70을 초과하여 78.41(atom %)로 나타난 도전성 막의 경우 투과율과 전기전도도 특성은 양호하였으나, 원자비가 70 이하인 도전성 막에 대비하여 투과율과 전기전도도가 특별히 상승하지는 않았다. 원자비가 70을 초과하는 경우 고가인 인듐의 사용량이 증대되어 박막 제조 비용이 증가되므로 경제적인 측면에서 바람직하지 않다. 따라서 원자비를 70 이하로 하는 것에 의해 충분한 투과율과 전도도 특성을 얻으면서 저렴한 비용으로 박막을 제조할 수 있게 된다. 이 때, 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 금속산화물계 코팅층의 두께는 5000Å 이하로 하는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 범위인 인듐, 갈륨 및 아연에 대한 인듐 및 갈륨의 원자비가 0.20 이상, 0.70 이하인 경우 경제적으로 고투명도, 고전도도 특성을 갖는 도전성 박막을 제조할 수 있게 된다.
도 1은 실시예 1의 투명 도전성막의 XRD 데이터를 나타낸 도면.
도 2는 실시예 4의 투명 도전성막의 XRD 데이터를 나타낸 도면.
도 3은 실시예 7의 투명 도전성막의 XRD 데이터를 나타낸 도면.
도 4는 실시예 1의 투명 도전성막의 주사전자현미경 데이터를 나타낸 도면.
도 5는 실시예 4의 투명 도전성막의 주사전자현미경 데이터를 나타낸 도면.
도 6는 실시예 7의 투명 도전성막의 주사전자현미경 데이터를 나타낸 도면.
도 7는 실시예 1의 투명 도전성막의 단면에 대한 주사전자현미경 데이터를 나타낸 도면.

Claims (4)

  1. 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 금속산화물로 이루어진 조성물에 있어서,
    상기 금속산화물의 인듐, 갈륨 및 아연은 하기의 원자비 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 조성물.
    0.20 ≤ (In+Ga)/(In+Ga+Zn) ≤ 0.70
  2. 인듐, 갈륨, 아연 및 산소를 포함하는 금속산화물로 이루어진 조성물을 이용한 소결체에 있어서,
    상기 금속산화물의 인듐, 갈륨 및 아연은 하기의 원자비 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 소결체.
    0.20 ≤ (In+Ga)/(In+Ga+Zn) ≤ 0.70
  3. 기판상에 인듐, 갈륨 및 아연을 포함하는 금속산화물로 이루어진 코팅층이 형성된 도전성막에 있어서,
    상기 금속산화물의 인듐, 갈륨 및 아연은 하기의 원자비 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 투명 도전성막.
    0.20 ≤ (In+Ga)/(In+Ga+Zn) ≤ 0.70
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 코팅층은
    두께가 5000Å 이하인 것을 특징으로 하는 투명 도전성막.
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