인듐 주석 산화물

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1. 개요

인듐 주석 산화물(ITO)은 인듐과 주석의 혼합 산화물로, 가시광선에 투명하고 전기 전도성이 높아 터치 스크린, 디스플레이, 태양 전지 등 다양한 분야에 사용된다. ITO는 약 4 eV의 큰 밴드갭을 가진 n형 반도체로, 전기 전도성과 투명성을 갖지만, 인듐의 높은 가격과 제한적인 공급, 층의 취약성, 고비용의 진공 증착 공정 때문에 대체 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. ITO는 인듐 폐 질환을 유발할 수 있으며, 재활용 과정에서 유해 물질이 발생할 수 있어 환경 및 안전 문제에 대한 주의가 필요하다.

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인듐 주석 산화물 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
IUPAC 명칭	산화 인듐 주석
다른 이름	ITO
식별 정보
CAS 등록번호	50926-11-9
물성
외형	담황색~황록색 (고체, 조성에 따라 변화)
밀도	7120-7160 kg/m³ (293 K)
녹는점	1800-2200 K
위험성

2. 특성

투명 전도막 ITO의 특징은 전기 전도성과 투명성이다^[53]. 증착 성막을 통해 전하 밀도를 향상시켜 전도성을 높일 수 있지만, 반대로 투명성은 저하된다. ITO 박막은 주로 전자빔 증착법, 물리 기상 증착법, 스퍼터 증착법 등을 사용하여 제조된다^[54]. 실용상, 중량비 9:1 정도로 사용되는 경우가 많다.

2. 1. 물리화학적 특성

ITO는 인듐과 주석의 혼합 산화물로, 조성에 따라 1526~1926 °C (1800~2200 K, 2800~3500 °F) 범위의 녹는점을 갖는다.^[1] 가장 일반적으로 사용되는 물질은 약 In₄Sn 조성을 갖는 산화물이다. 이 물질은 약 4 eV의 큰 밴드갭을 갖는 n형 반도체이다. ITO는 가시광선에 투명하고 비교적 전도성이 있다. 약 ~10⁻⁴ Ω·cm의 낮은 전기 저항을 가지며, 얇은 필름은 80% 이상의 광 투과율을 가질 수 있다.^[1] 이러한 특성은 휴대 전화와 같은 터치 스크린 응용 분야에서 매우 유용하게 활용된다.

투명 전도막 ITO의 특징은 전기 전도성과 투명성이다.^[53] 증착 성막을 통해 전하 밀도를 향상시켜 전도성을 높일 수 있지만, 반대로 투명성은 저하된다. ITO 박막은 주로 전자빔 증착법, 물리 기상 증착법, 스퍼터 증착법 등을 사용하여 제조된다.^[54] 실용상, 중량비 9:1 정도로 사용되는 경우가 많다.

2. 2. 전기적 특성

ITO는 가시광선에 투명하고 비교적 전도성이 있다. 약 10⁻⁴ Ω·cm의 낮은 전기 저항을 가지며, 얇은 필름은 80% 이상의 광 투과율을 가질 수 있다.^[1] 이러한 특성은 휴대 전화와 같은 터치 스크린 응용 분야에서 매우 유용하게 활용된다.

투명 전도막 ITO의 특징은 전기 전도성과 투명성이다.^[53] 증착하여 성막함으로써 전하 밀도가 향상되어 전도성도 향상되는 경향이 있지만, 그와 반대로 투명성이 저하된다. ITO의 박막은 주로 전자빔 증착법, 물리 기상 증착법, 스퍼터 증착법 등을 사용하여 제조된다.^[54]

2. 3. 광학적 특성

ITO는 약 4 eV의 큰 밴드갭을 갖는 n형 반도체이다. ITO는 가시광선에 투명하고 비교적 전도성이 있다. 약 ~10⁻⁴ Ω·cm의 낮은 전기 저항을 가지며, 얇은 필름은 80% 이상의 광 투과율을 가질 수 있다.^[1] 이러한 특성은 휴대 전화와 같은 터치 스크린 응용 분야에서 매우 유용하게 활용된다.

투명 전도막 ITO의 특징은 전기 전도성과 투명성이다.^[53] 증착 성막을 통해 전하 밀도가 향상되어 전도성은 향상되지만, 반대로 투명성은 저하된다.

3. 용도

인듐 주석 산화물(ITO)은 액정 디스플레이, 평판 디스플레이, 플라스마 디스플레이, 터치스크린, 전자 종이, 유기 발광 다이오드, 태양 전지, 정전기방지 코팅, 전자파 차폐 등에서 투명한 전도성 코팅을 만드는 데 사용된다.^[54]

ITO는 광학 코팅, 건축물이나 자동차의 적외선 반사 코팅 (핫 미러), 나트륨등에도 사용되며, 가스 센서, 반사방지 코팅, 빅셀 레이저의 확대 반사경으로도 쓰인다.^[54]

ITO 박막 변형 게이지는 1400 °C 이상의 고온과 가스 터빈, 제트 엔진, 로켓 엔진 같은 극한 환경에서도 작동한다.^[8]

3. 1. 디스플레이

액정 디스플레이(LCD), 평판 디스플레이, 플라스마 디스플레이, 터치스크린, 전자 종이, 유기 발광 다이오드(OLED) 등 다양한 디스플레이 장치에서 투명 전극으로 사용된다.^[4] ^[54] 특히, LCD 및 OLED 디스플레이에서 ITO는 픽셀을 구동하고 빛을 투과시키는 핵심적인 역할을 수행하며, 유기 발광 다이오드에서는 양극 (홀 주입층)으로 사용된다.^[4]

3. 2. 태양 전지

인듐 주석 산화물(ITO)은 태양 전지에서 투명 전도성 코팅을 만드는 데 사용된다.^[54] ITO는 박막 태양광 발전, 유기 발광 다이오드(OLED) 태양 전지 등 차세대 태양전지에 사용될 수 있다.^[2]

ITO는 나노기술에서 차세대 태양전지를 위한 길을 제공한다. 나노로드의 나노 크기 때문에, 양자 크기 효과가 광학적 특성에 영향을 미친다. 로드의 크기를 조정하여 특정 좁은 색상 밴드 내에서 빛을 흡수하도록 만들 수 있다. 크기가 다른 여러 개의 전지를 쌓으면, 태양 스펙트럼의 넓은 범위의 파장을 수집하여 에너지로 변환할 수 있다. 또한, 로드의 나노 크기 부피는 기존 전지에 비해 필요한 반도체 재료의 양을 줄일 수 있다.^[22]^[23] 최근 연구에 따르면, 나노구조화된 ITO는 광캐패시터 역할을 할 수 있으며, 빛 에너지의 흡수와 저장을 독특한 물질로 결합한다.^[24]

3. 3. 기타 응용 분야

정전기방지 코팅, 전자파 차폐에 사용되는 투명 전도성 코팅을 만드는 데 사용된다.^[54] 또한, 스마트 윈도우, 가스 센서,^[6] 반사방지 코팅, 빅셀 레이저, 적외선 반사 코팅 (핫 미러), 나트륨등에도 사용된다.^[54]

F-22 랩터의 캐노피에 사용된 레이더파 반사 코팅과^[5] 항공기 와이퍼 김서림 방지^[5] 등 특수 목적으로도 사용된다.

극한 환경(고온, 가스 터빈, 제트 엔진, 로켓 엔진)에서 사용 가능한 박막 변형 게이지로도 활용된다.^[8]

4. 합성 및 제조 방법

인듐 주석 산화물(ITO) 박막은 주로 전자빔 증착법, 물리 기상 증착법, 스퍼터 증착법 등을 사용하여 제조된다.^[54] 투명 전도막 ITO는 전기 전도성과 투명성을 동시에 가지는데, 증착 성막을 통해 전하 밀도를 높이면 전도성이 향상되지만 투명성은 떨어진다.^[53] 실용적으로는 인듐과 주석의 중량비를 9:1 정도로 사용하는 경우가 많다.

ITO 합성 및 제조 방법에 대한 더 자세한 내용은 하위 섹션(물리적 기상 증착, 화학적 방법, 기타 방법)에서 확인할 수 있다.

4. 1. 물리적 기상 증착 (PVD)

ITO는 일반적으로 고가이며 에너지 집약적인 공정인 물리적 기상 증착(PVD)을 통해 증착된다. 이러한 공정에는 깨지기 쉬운 층을 형성하는 스퍼터링이 포함된다.

물리적 기상 증착의 비용과 에너지, 그리고 필요한 진공 공정 때문에 ITO를 제조하는 대체 방법이 연구되고 있다.^[13] ITO 박막은 주로 전자빔 증착법, 물리 기상 증착법, 스퍼터 증착법 등을 사용하여 제조된다.^[54]

4. 2. 화학적 방법

물리적 기상 증착(PVD)은 비용이 많이 들고 에너지가 많이 소모되며, 진공 공정이 필요하기 때문에 ITO를 제조하는 대체 방법이 연구되고 있다.^[13]

입자 기반 기술을 사용하는 공정으로 테이프 캐스팅 공정이 있다. 이 공정에서는 ITO 나노 입자를 먼저 분산시킨 다음 안정성을 위해 유기 용매에 넣는다. 벤질 프탈레이트 가소제와 폴리비닐 부티랄 바인더가 나노 입자 슬러리를 준비하는 데 도움이 되는 것으로 나타났다. 테이프 캐스팅 공정을 수행한 후, 그린 ITO 테이프의 특성 분석 결과 최적의 투과율은 약 75%까지 올라갔으며, 전기 저항의 하한은 2 Ω·cm였다.^[3]

플라즈몬 금속 나노 구조의 수치 모델링은 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 태양 광전지 (PV) 전지에서 빛 관리를 위한 방법으로 큰 잠재력을 보여주었다. 플라즈몬 강화 PV 장치에서 발생하는 문제는 장치 상단 접촉/전극으로 사용하기 위해 높은 투과율과 낮은 저항을 가진 '초박형' 투명 전도성 산화물 (TCO)이 필요하다는 것이다. 불행히도 TCO에 대한 대부분의 연구는 비교적 두꺼운 층에 대한 것이며, 얇은 TCO의 몇 안 되는 보고된 사례는 전도성이 현저히 감소하는 것을 보여주었다. 이를 극복하기 위해 먼저 두꺼운 층을 성장시킨 다음 화학적으로 깎아내어 전체적이고 전도성이 높은 얇은 층을 얻는 것이 가능하다.^[18]

투명 전도막 ITO의 특징은 전기 전도성과 투명성이다.^[53] 증착 성막함으로써 전하 밀도가 향상되어 전도성도 향상되는 경향이 있지만, 그와 반대로 투명성이 저하된다. 실용상, 중량비 9:1 정도로 사용되는 경우가 많다.

4. 3. 기타 방법

물리적 기상 증착(PVD)은 일반적으로 고가이며 에너지 집약적인 공정으로, 깨지기 쉬운 층을 형성하는 스퍼터링을 포함한다. 이러한 PVD의 비용, 에너지, 진공 공정 문제 때문에 인듐 주석 산화물(ITO)을 제조하는 대체 방법이 연구되고 있다.^[13]

인듐 주석 산화물 나노입자를 사용하면 소결에 필요한 고온 때문에 기판 선택에 제한이 따른다. 대안적인 출발 물질로 In-Sn 합금 나노입자는 더 다양한 기판을 허용한다.^[14] 연속적인 전도성 In-Sn 합금 필름을 먼저 형성한 다음, 산화를 통해 투명성을 확보한다. 이 2단계 공정은 열 어닐링을 포함하며, 이는 특수한 분위기 제어와 증가된 처리 시간을 필요로 한다. 금속 나노입자는 레이저 처리 하에서 쉽게 전도성 금속 필름으로 변환될 수 있으므로, 레이저 소결이 제품의 균일한 형태를 얻기 위해 적용된다. 레이저 소결은 공기 중에서 수행할 수 있어 사용하기 쉽고 비용이 적게 든다.^[15]

기존 방식을 사용하되 광학 특성을 개선하기 위해 주변 가스 조건을 변경하는 방식도 연구되고 있다. 예를 들어 산소는 ITO의 특성에 중요한 역할을 한다.^[17]

5. 대체 물질 연구

인듐의 높은 가격, 제한적인 공급, ITO 층의 취약성과 유연성 부족, 진공을 이용한 고가 층 증착으로 인해 대체 물질 연구가 진행되고 있다.^[41] 다양한 원소로 도핑된 산화 아연 기반의 대체 물질들이 연구되고 있다.^[42]

5. 1. 개요

인듐의 높은 가격과 제한적인 공급, ITO 층의 취약성과 유연성 부족, 그리고 진공을 필요로 하는 고가의 층 증착 때문에 대체 물질에 대한 연구가 진행되고 있다.^[41] ITO의 주요 문제점은 비용으로, 알루미늄 아연 산화물(AZO)보다 여러 배 더 비싸다. AZO는 비용이 저렴하고 태양 스펙트럼에서 비교적 우수한 광학 투과 성능을 보여 투명 전도성 박막(TCO)의 일반적인 선택이다. 그러나 ITO는 수분에 대한 내화학성을 포함한 다른 여러 중요한 성능 범주에서 AZO보다 우수하다. ITO는 습기의 영향을 받지 않으며, 옥상에서 25~30년 동안 구리 인듐 갈륨 셀레나이드 태양 전지의 일부로 안정적으로 사용될 수 있다.

인듐은 고가이고 안정적인 공급에 한계가 있어, 취약하고 굽힘 내성이 없으며, 박막 제작에는 진공 공정이 필요하기 때문에 비용이 많이 든다. 이러한 이유로 대체 물질에 대한 연구가 진행되고 있다. 대체 물질로는 은 나노 와이어, 갈륨/알루미늄 도핑된 산화 아연 및 탄소 나노 튜브가 있으며, Cambrios, Canatu, Eikos, Unidym사 등에서 연구가 진행되고 있다.

또한 폴리티오펜 계열의 PEDOT^[55], 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자도 (전기 전도성은 아직 반도체 수준이지만: 유기 반도체) 자원이 풍부하고 굽힘이 용이하여 연구되고 있으며, 은행 ATM 등 전도성보다 굽힘 피로 저항이 요구되는 용도에서 실용화되고 있다. 일반적으로 전도성 고분자는 무기 전도성 재료에 비해 전도성이 떨어지지만, 높은 굽힘 내성을 가지고 있으며, 또한 저렴하고 제조 공정이 환경 친화적이라고 여겨진다.

5. 2. 무기 소재

산화 아연(ZnO)에 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등을 도핑하여 전기 전도성과 투명성을 높인 소재(AZO, GZO, IZO)가 있다.^[43] 몰리브덴(Mo)을 도핑한 인듐 산화물은 주석을 사용한 것보다 전자 이동도와 전도도가 더 높다.^[44] 인듐을 도핑한 산화 카드뮴도 대체 재료로 제안되었다.

5. 3. 유기 소재

전도성 고분자인 폴리아닐린 및 PEDOT:PSS 등은 무기 재료보다 전도성은 낮지만, 더 유연하고 저렴하며 가공 및 제조가 친환경적이다.^[49]^[50] 폴리티오펜 계열의 PEDOT^[55], 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자는 자원이 풍부하고 굽힘이 용이하여 연구되고 있으며, 은행 ATM 등 굽힘 피로 저항이 필요한 곳에서 사용된다.

탄소 나노튜브 전도성 코팅은 유망한 대체재이다.^[45]^[46] 그래핀은 또 다른 탄소 기반 대체재로서, 유연하며 표준 ITO보다 낮은 전기 저항으로 90%의 투명도를 제공한다.^[47] 은 나노와이어로 만들어지고 그래핀으로 덮인 전극은 투명성을 유지하면서도 전기 전도성과 유연성을 갖는 하이브리드 재료이다.^[48]

5. 4. 하이브리드 소재

은 나노와이어와 그래핀을 결합한 하이브리드 전극은 투명성, 전기 전도성, 유연성을 모두 갖춘 소재이다.^[48] 그래핀은 유연하고 표준 ITO보다 낮은 전기 저항을 가지며 90%의 투명도를 보이는 탄소 기반 대체재이다.^[47]

6. 환경 및 안전 문제

인듐 주석 산화물(ITO)을 흡입하면 호흡기가 약간 자극될 수 있으므로 피해야 한다. 장기간 노출될 경우 증상이 만성화되어 양성 진폐증을 유발할 수 있다. 동물을 대상으로 한 연구에 따르면 인듐 주석 산화물은 섭취 시 독성이 있으며, 신장, 폐, 심장에 부정적인 영향을 미친다.^[25]

6. 1. 인듐 폐 질환

인듐 주석 산화물(ITO)을 흡입하면 호흡기가 약간 자극될 수 있으므로 피해야 한다. 장기간 노출될 경우 증상이 만성화되어 양성 진폐증을 유발할 수 있다. 동물을 대상으로 한 연구에 따르면 인듐 주석 산화물은 섭취 시 독성이 있으며, 신장, 폐, 심장에 부정적인 영향을 미친다.^[25]

인듐 폐 질환은 인듐 함유 먼지에 노출되어 발생하는 새로운 직업병이다. 최초의 환자는 ITO의 습식 표면 연마 작업자로, 간질성 폐렴을 앓았으며, 그의 폐는 ITO 관련 입자로 가득 차 있었다.^[29] 이러한 입자는 사이토카인 생성 및 대식세포 기능 부전을 유발할 수 있다. 소결된 ITO 입자는 탐식 기능 부전을 유발할 수 있지만, 대식세포에서 사이토카인 방출은 유발하지 않는다. 그러나 폐 상피 세포에서 염증 유발 사이토카인 반응을 유발할 수 있다.^[30]

채굴, 생산 및 재활용 과정에서 작업자는 특히 중국, 일본, 대한민국, 캐나다^[26] 등에서 인듐에 노출될 수 있으며, 폐포 단백증, 폐 섬유증 / 육아종, 폐기종, 육아종 발생 가능성이 있다. 미국, 중국, 일본의 작업자들은 인듐 노출로 인해 콜레스테롤 균열 진단을 받았다.^[27]

6. 2. 기타 유해성

인듐 주석 산화물(ITO)을 흡입하면 호흡기가 약간 자극될 수 있으므로 피해야 한다. 장기간 노출될 경우 증상이 만성화되어 양성 진폐증을 유발할 수 있다. 동물 대상 연구에 따르면 인듐 주석 산화물은 섭취 시 독성이 있으며, 신장, 폐, 심장에 부정적인 영향을 미친다.^[25]

6. 3. 재활용

소결 ITO 공정에 사용되는 에칭액은 폐기 전 제한된 횟수만 사용할 수 있다. 에칭액 열화 후 폐수에는 인듐(In), 구리(Cu) 등 귀금속뿐만 아니라 몰리브데넘(Mo), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 인듐(In) 등이 포함되어 인체에 건강상 위험을 초래할 수 있다.^[33]^[34]^[35]^[36]^[37]^[38]^[39]^[40]

참조

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