산화인듐(Indium Oxide), Indium Tin Oxide(ITO)

산화인듐(Indium Oxide)

특징

화학식 In2O3. 산화인듐은 입방체(cubic, bixbyte), 심방체(rhombohedral, corrandum)의 두 개의 결정상이 존재하며 두 종류의 상은 모두 3 eV의 bandgap를 가지는데 이는 산화인듐이 투명전극재료로 사용되는 중요한특성이다. 결정상의 산화인듐은 물과 산에 거의 녹지 않으며, 비결정질의 산화인듐은 물에는 녹지 않으나 산에 용해된다.

크롬이 도핑된 인듐산화물(In2-xCrxO3)의 박막은 자기 반도체로 고온의 철자성, 단상 결정구조, 충전 캐리어의 고농축 반도체 거동 등이 나타난다.

Zn이 도핑된 인듐 산화물 얇은 다결정질 필름은 전도성이 높으며 극저온에서 초전도성이 나타난다.

700 °C까지 가열하면 산화인듐(III), In2O)이 형성되며, 2000 °C에서 분해된다. 이 물질은 산에는 용해되지만 알칼리에는 용해되지 않는다. 고온에서 암모니아와 반응하여 질화 인듐이 형성된다.

In2O3 + 2 NH3 → 2 InN + 3 H2O

그림. 산화인듐 구조(정방정계, bixbyte), 출처 : www.wikipedia.org

 

제법과 응용

산화물 인듐 박막은 DC, RF 스퍼터링 등을 이용하여 만들 수 있다. 산화 인듐은 단결정 나노와이어는 10nm 크기로 만들어져, 단백질 센서 등으로 이용될 수 있다.

산화 인듐은 반도체 재료로 다양하게 이용된다.

인듐 산화물(Indium oxide)은 투명 박막 적외선 반사판(Hot Mirror), 광학 코팅 등에 사용된다. 특히 인듐산화물은 주석(Tin)과 같이 인듐 주석산화물(ITO)로 합성되어 전자제품에 광범위하게 이용된다. 반도체에서 인듐산화물은 집적회로에서 저항성 소자로 쓰이는 n형 반도체로 활용할 수 있다.

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인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO)

인듐 주석 산화물(ITO)은 인듐, 주석 및 산소의 다양한 비율로 이루어진 물질이며, 상업적으로 중량 기준 74% In(인듐), 18% O(산소), 8% Sn(주석)으로 구성된 투명박막이 많이 사용된다. 화학양론적으로 산소가 부족한 n형 반도체이다.

인듐 주석 산화물(Indium tin oxide)은 전기전도도가 높고 광학적으로 투명성이 높고 얇은 막으로 합성이 용이하기 때문에 디스플레이 등에 광범위하게 사용된다. 인듐 주석 산화물 박막은 일반적으로 물리적 증착(PVD)에 의해 박막으로 합성되나, 화학적 증착(CVD), 졸겔(sol-gel)법으로도 코팅이 가능하다.

ITO는 구성 성분에 따라 1526–1926 °C(1800–2200 K, 2800–3500 °F)의 용해점을 가진다. n형 반도체로 밴드갭 에너지가 큰 4 eV 내외로 가시광에 투명하며 전기전도율이 비교적 높다.

ITO는 디스플레이의 투명전극 재료로 광범위하게 사용되며, 에너지 절감 유리 등의 박막 코팅재로 사용된다. 구체적으로 TV, 모니터, 터치패널, 전자 잉크 표시장치 등에 사용되며, 태양전지, EMI 차폐재로도 사용된다. ITO가 코팅된 유리에 전기를 통하게 하여 열을 발생시켜 성에 방지 유리로도 사용된다. ITO 박막제품은 최대 1400 °C의 온도의 가혹한 환경에서도 작동 가능하다.

인듐은 희토류로 아연의 제련과정에서 부산물로 생성된다. 따라서, 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다. 또한 ITO는 결정질 세라믹으로 구부릴 경우 쉽게 손상된다는 단점이 있다. 또한 현재 ITO 박막 제법에 사용되는 PVD(스퍼터) 공정이 비교적 고가의 공정이다. ITO는 다른 물질에 비해 상대적으로 에칭이 잘 되지 않는 편이나, 이러한 특성이 오히려 정밀한 구조의 구성을 가능하게 하기도 한다.

따라서, ITO를 대체할 수 있는 재료가 많이 연구되어 왔으며 대표적으로 산화주석(안티몬 도핑), 알루미늄 도핑 산화아연, 비결정질 산화인듐-아연 산화물, 카본나노튜브 등이 있다.

그러나, ITO는 내화학특성, 내수분성 등의 우수하기 때문에 다양한 대체물질이 개발되었어도 아직 광범위하게 사용되고 있다.