尹漢鎬 공학박사 / 삼성코닝(주) 타겟사업그룹 그룹장 1. 서론 21세기 정보화시대를 맞이하여 갈수록 표시장치인 디스플레이의 중요성은 커지고 있다. 20세기에는 1900대 초반에 개발된 브라운관식 디스플레이가 주종을 이루었으나 디스플레이 장치의 대형화 및 휴대폰, PDA 등 이동형디스플레이에 대한 수요가 증가함에 따라 보다 가볍고 얇은 디스플레이 장치가 요구되어 1980년대에 LCD(Liquid Crystal Display)가 상용화되기 시작하여 1990년대말부터 PDP, 유기EL 등도 상용화 및 시장확대를 꾀하고 있다. 이러한 평판디스플레이(Flad Panel DIsplay)를 만들기 위해서는 투명전극재가 필요하여 SnO2, ZnO, ITO(Indium Tin Oxide) 등의 투명전극재가 개발되었다. 투명전극재중 ITO는 높은 투과성 및 낮은 면저항값으로 인하여 가장 많이 사용되는 재료이며 평판디스플레이용 모듈에 우수한 특성을 가진 투명전극을 만드는 가장 좋은 방법은 스퍼터링(Sputtering)법이다. 이에 본고에서는 ITO를 중심으로 평판디스플레이 시장의 급성장과 함께 그 수요가 증가하고 있는 스퍼터링용 타겟재의 연구동향에 대하여 살펴보았다. 2. 본론 가. ITO타겟재의 연구개발 동향 투명전극재로 널리 사용되고 있는 ITO는 산화인듐(In2O3)에 소량의 산화주석(SnO2)를 혼합하여 사용하며 산화주석이 5∼10wt% 함유되었을 경우 투명전극으로의 특성이 가장 좋으므로 상품화된 타겟의 경우 산화주석을 10wt%함유한 조성을 널리 사용하고 있다.(표 1) 이러한 ITO타겟재는 통상 소결법으로 제조하나 In2O3, SnO2 모두 소결이 잘 되지 않는 난소결체로 널리 알려져 있다. 일반적인 소결체의 경우 소결성을 높이기 위하여 미량의 소결조제를 첨가하는 경우가 많으나 ITO 투명전극의 경우 전도성 확보를 위하여 99.99%이상의 고순도를 요하므로 첨가제에 의한 소결밀도 향상은 어렵다. 이에 1980년대에는 소결밀도가 이론밀도의 70%대인 타겟도 상용화되어 사용되었다. 타겟재는 주로 진공하의 스퍼터장치에서 투명전극재로 유리 등의 기판 위에 증착되며, 타겟재를 장시간 사용할 경우 노쥴(Nodule)이라는 이물질이 표면에 생성되며, 이는 투명전극막의 증착속도를 떨어트리고 투명전극 표면에 파티클 등의 불량을 생성하는 원인이 되기도 한다. 노쥴은 고진공의 스퍼터링 장치내에서 고전압의 인가에 따른 국부적인 Arching이 원인이 되는 경우가 많으므로 소결밀도가 낮을수록 많이 생성된다. 이러한 노쥴을 줄이기 위해 고밀도 타겟의 제조방법에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 왔으며 최근에는 소결밀도 99%이상의 타겟이 상용화되어 널리 사용되고 있다.(표 2) 소결밀도를 높이기 위하여 가장 손쉬운 방법으로 HP, HIP 등의 고온가압소결법이 1990년이후 널리 이용되었다. 하지만 이러한 방법으로 제조된 소결체의 경우 타겟재로 사용하기 위해서는 가공공정을 거쳐야 하며 대체로 가공Loss가 크므로 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 이를 보완하기 위하여 최근에는 상압(常壓)분위기소결법이 실용화되고 있다. 이러한 상압소결을 위해서는 사용되는 분말의 입자크기를 최소화할 필요성이 크게 대두되어 현재는 평균 1차입자 크기가 100nm이하인 나노급 분말이 상용화되어 사용되고 있다. 10%정도 함유되어 있는 산화주석 분말의 분산성도 노쥴 형성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있으므로 분말단계에서부터 분산성을 좋게 하기 위한 연구도 진행되고 있다. 그리고 타겟재의 표면조도(Roughness)도 노쥴생성에 영향을 끼친다는 분석결과도 있어 타겟재 가공시 표면조도를 조절하여 노쥴생성을 최소화하는 연구결과 및 특허도 발표되고 있다. 그 밖에도 소결체의 입자크기 및 기공의 분산성을 향상시켜 노쥴 발생을 최소화하기 위한 연구도 진행되고 있다. 하지만 이러한 방법으로도 노쥴의 발생량을 줄일 수 있을 뿐이므로 완전히 발생을 억제하는 방법에 대해서는 아직도 많은 연구가 필요한 것으로 생각된다. 타겟재를 양산하기 위해서는 성형방법도 매우 중요하다. 타겟재는 통상 두께 5∼10mm의 판상이 주를 이루고 있으며(그림 1) 대형타겟의 경우 크기가 1 m 전후에 이르는 경우도 많으므로 이러한 성형체의 경제적인 성형방법은 양산성 확보에 매우 중요한 요소이다. ITO타겟의 상용화 초기에는 최대크기 200∼300mm의 타겟이 많이 사용되었으므로 주로 일반적인 프레스법(Cold Press)으로 성형하는 것이 보통이었으나 타겟의 크기가 커짐에 따라 대형 프레스가 필요하게 되어 상대적으로 균일한 밀도의 대형제품 성형이 용이한 CIP(Cold Isostatic Press)법이나 주입성형(Slip Casting)법이 상용화되었다. 하지만 CIP법의 경우, 원하는 치수에 가깝게 성형하는 것이 어려우므로 성형후 혹은 소결후 많은 양을 가공해야 하는 어려움이 있다. 이러한 가공량을 최소화하고 최적의 성형체를 제조하기 위한 연구가 타겟 생산업체를 중심으로 진행되고 있다. 나. 기타 투명전극용 타겟재 연구개발 동향 투명전극재로는 ITO 이외에도 SnO2, ZnO 등도 개발되어 사용되고 있으나 ITO에 비하여 상대적으로 높은 저항값으로 인하여 높은 저항값을 필요로 하는 Touch Panel이나 저급의 투명전극재로 일부 사용되고 있다. 최근에는 ITO의 특성을 보완한 IZO(Indium Zinc Oxide)가 개발되어 TFT-LCD 및 유기EL용 전극재를 중심으로 상용화가 진행되고 있다. ITO막을 투명전극으로 사용하기 위해서는 에칭공정을 거쳐야 하는데 통상 왕수 등의 강산을 사용하게 되며 이에 따라 TFT Module의 경우 하부에 증착되어 있는 Al 등의 금속배선까지도 부식하게 되어 공정수율을 저하시키게 되는 주요 원인이 된다. 이러한 에칭특성을 보완하여 약산에서도 쉽게 에칭할 수 있으며, 결정구조가 비정질이므로 타겟재로 스퍼터링 장치내에서 장기간 사용시에도 노쥴의 발생을 최소화하는 것을 특징으로 하는 것이 IZO이다. IZO는 에칭특성 등에서 ITO보다 뛰어나 최근 많은 관심을 받고 있으나 비저항이 상대적으로 크며 상대적으로 고가인 단점이 있다. 참고로 ITO와 IZO의 주요 특성 비교치를 표 3에 나타내었다. 다. 폐타겟의 재활용 ITO타겟 등의 산화물타겟은 증착속도를 높이기 위하여 통상 DC Magnetron Sputtering법으로 증착하게 된다. 이경우 실제 타겟의 사용효율은 20∼30% 정도이며, 사용하고 난 나머지 70∼80%는 폐타겟(Used Target)으로 남게 된다. 이 폐타겟은 고순도, 고가의 인듐을 함유하고 있으므로 타겟업체에서는 이를 정제하여 재사용하는 리사이클링공정을 거쳐 산화인듐분말로 재활용하게 된다. 폐타겟의 리사이클링공정에서는 1차로 고순도 금속인듐으로 정제하며 이를 원료로 다시 산화인듐 분말을 제조하는 2단계를 거치는 것이 보통이다. 따라서 리사이클링 비용이 많이 들게 되므로 최근에는 폐타겟에서 직접 산화인듐분말을 합성하는 방법이 연구되고 있다. 또한 희토류는 아니나 아연광 등에서 ppm단위로 존재하는 미량원소인 인듐의 재활용을 극대화하기 위하여 일부 업체에서는 수명이 다하여 버려지는 LCD패널에서 인듐을 추출하는 방법에 대해서도 연구를 진행하고 있다. 3. 결론 ITO를 중심으로 투명전극재에 대한 최근의 연구동향을 간략히 살펴보았다. ITO의 경우, 이미 상용화된지 20년이상이 지났으므로 조성에 대한 연구보다 상업적으로 경쟁력을 갖기 위한 단위 제조공정에 대한 연구가 최근에 많이 진행되고 있다. 특히 판상의 타겟재의 고밀도화 및 가공Loss를 최소화하기 위한 분말특성 제어, 성형방법 및 가공방법에 대한 연구가 타겟 제조업체를 중심으로 활발히 진행되고 있다. ITO이외의 투명전극재에 대한 연구는 여러분야에서 활발히 진행되고 있으나 아직까지 ITO를 대체할만한 재료는 발견되지 않고 있는 것이 현실이다. 최근에 대체 가능한 물질로서 IZO가 개발되어 상용화를 추진하고 있으나 이는 기본 성분을 산화인듐으로 하는 것으로는 ITO와 큰 차이가 없으며 다만 에칭특성을 활용하여 일부 평판디스플레이용 투명전극으로 검토가 되고 있는 단계이다. 향후 새로운 투명전극재의 개발을 위해서는 현재 상용화되어 있는 평판디스플레이 이외에 앞으로 10년, 20년후의 평판디스플레이 시장의 중심이 될 것이 무엇인지를 파악하여 그에 대한 대체가 필요할 것으로 생각된다. 특히, ITO타겟의 주원료인 산화인듐은 미량성분으로 매장량이 한정되어 있는 원소이므로 그에 대한 대체재의 연구 및 폐타겟 및 폐기된 LCD 등에서의 재생방법 연구는 앞으로도 지속적으로 진행되어야 할 것으로 생각된다. 표 1. 상용 ITO 타겟재의 주요특성 특 성 치 비 고 조성 10.0±0.5 wt% SnO2 용도에 따라 다름 순도 99.99% 이상 소결밀도 99% Th.D 이상 표면조도 Ra ∼ 0.5㎛ 평균입경 5∼10㎛ 비저항 ∼ 10-4Ωcm 표 2. 상용 ITO타겟재 밀도 변화추이 ‘90년 ‘93년 ‘95년 ‘99년 ‘00년이후 타겟밀도 70∼80% 80∼85% 85∼95% 98∼99% 99%이상 표 3. ITO와 IZO의 주요 특성비교 항 목 ITO IZO 대표 조성 (wt%) In2O3:SnO2 = 90:10 In2O3:ZnO = 90:10 결정 구조 부분 결정 비정질 비저항 ∼200 μΩ·cm ∼300 μΩ·cm Etchant와 금속과의 반응성 반응 심함 반응 않음 표면 Nodule발생 심함 거의 없음