보고서 정보
주관연구기관 |
한청알에프 |
연구책임자 |
이재용
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2017-07 |
과제시작연도 |
2016 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO201800040171 |
과제고유번호 |
1415147387 |
사업명 |
생산시스템산업전문기술개발 |
DB 구축일자 |
2018-10-13
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키워드 |
생산 공정.불용.재자원화.오염물질.저감.manufacturing process.useless.recycling.contaminants.reduction.
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초록
▼
핵심기술
불용 ITO 타겟의 고농도 용액화 및 In-situ 분산으로 고 분산 ITO 분말 및 타겟을 재자원화한 오염물 저감 공정 기술 개발
최종목표
○ 생산 공정 중 불용 ITO 타겟에 In-situ 분산 기술을 적용하여 나노급 ITO 전구체 원료를 확보하고, 이를 이용하여 ITO 나노분말 재자원화 및 오염물 저감 공정 기술 개발
- ITO 재생율 ≥90% - 가공비 절감율 ≥30%
- 입도 ≤ 40 nm - 비표면적 ≥ 50 m2/g
- 조성비(In/Sn) : 90/10 - 순도 ≥99.9
핵심기술
불용 ITO 타겟의 고농도 용액화 및 In-situ 분산으로 고 분산 ITO 분말 및 타겟을 재자원화한 오염물 저감 공정 기술 개발
최종목표
○ 생산 공정 중 불용 ITO 타겟에 In-situ 분산 기술을 적용하여 나노급 ITO 전구체 원료를 확보하고, 이를 이용하여 ITO 나노분말 재자원화 및 오염물 저감 공정 기술 개발
- ITO 재생율 ≥90% - 가공비 절감율 ≥30%
- 입도 ≤ 40 nm - 비표면적 ≥ 50 m2/g
- 조성비(In/Sn) : 90/10 - 순도 ≥99.95%
- 온실가스 저감율 : 20% - 소결밀도 ≥ 99%
개발내용 및 결과
○ 주관기관((주)한청알에프)
- 불용 ITO 타겟으로부터의 ITO 회수율 제고
: 불용 ITO 타겟을 분쇄한 후 질산으로 다단용해하여 In용액과 Sn침전물로 분리하였고, 분리된 In용액을 용매추출법으로 불순물을 제거하였음. 정제된 In용액과 Sn침전물을 혼합한 후 암모니아와 분산제를 이용하여 ITO전구체를 In-Situ분산하였음. 석출된 전구체를 세척, 소성하여 복합인듐주석산화분말로 93.9% 재생 회수하는 공정을 확립하였음.
- ITO 미분체의 용매 내 용해량 증가 및 적정 비율 최적화 :
: ITO 미분체를 염산 투입량, 온도 조건, 용해 시간을 최적화 하여 용액내에 300g/L의 농도로 용해도를 극대화하였음. 용매로 질산을 사용하여 1차 용해 후 침전물을 2차로 재용해하는 다단 용해 공정의 약품투입량, 용해시간 등의 조건을 최적화하여 98.76%의 용해율을 확보하였음. 또한 용해촉진제를 사용하여 용해 시간을 단축하는 연구를 수행하였음.
- ITO 용해액의 오염물질 저감 공정 및 In-situ 분산 개선을 통한 균일 전구체 원료화 최적화
: 용매추출을 이용하여 In용해액에 포함되어 있는 오염물질을 제거하여 용해액의 불순물을 0.05% 이내로 최소화하였고, 이온교환법과 염소 가스 반응법을 이용하여 불순물을 제거하는 연구를 수행하였음. 환원 석출 공정에서 반응성 및 분말의 입자를 제어하기 위해 ITO용해 원액의 In농도를 100g/L로 희석한 후 NH4OH 용액에 역중화 반응하였으며, 이때 PVP분산제를 투입 반응하는 In-Situ분산법을 적용하여 전구체를 균일하게 원료화하였으며,In/Sn의 조성비 90/10을 확보하였음. 제조된 분말의 입자는 40~100nm 사이의 입자 조절이 가능한 공정 조건 및 구형 분말을 확보하였으며, XRD 분석결과 ITO 분말이 형성된 것을 확인함.
- 개선된 재생 ITO 나노분말의 시타겟 제작, 평가 및 소결밀도 향상 연구
: 재생된 ITO분말로 조립, 성형, 소결하여 ITO 타겟 샘플을 제조하여 환원조건, 분산제 종류별로 분말 입자 및 소결밀도를 제어할 수 있는 공정 조건을 확보하였음. ITO 타겟의 소결성을 확보하기 위해 분말의 BET를 8~9㎡/g 수준으로 제어하였고, 타겟을 제조하여 99.67% 수준의 소결밀도로 기존품 대비 99.84%의 수준을 확보하였으며, 주사현미경 결과 조직은 거의 유사하였음. 또한 ITO재생분말의 조립 조건별로 연구를 수행하여 소결밀도를 향상 시킬 수 있는 조건을 최적화하였으며, 99.5% 이상의 소결밀도를 확보하였음.
- ITO 타겟 Sputtering 적용 검증 및 응용분야 평가
: 재생 ITO 타겟과 상용타겟 (수요기업 분말 제조 타겟) 샘플로 박막을 제조하여 그 특성을 비교 평가하였음. 박막을 열처리하여 광투과율은 재생타겟 86.3%, 상용타겟 85.7% 수준으로 차이가 없었음. 박막의 주요특성인 면저항을 평가한 결과 재생타겟이 11.2Ω/□, 상용타겟이 10.2Ω/□로 재생타겟이 조금 높지만 큰 차이가 없었음. 박막의 전기적 특성을 나타내는 캐리어 농도는 재생타겟이 1.15E+21/㎤, 상용타겟이 1.28E+21/㎤로 차이가 거의 없었음. 터치 패널에 적용되었을 때 반응속도를 좌우하는 박막의 전하 이동도는 재생타겟이 26.82㎠/Vs, 상용타겟이 26.24㎠/Vs로 차이가 거의 없었음. 증착된 ITO 박막의 표면 미세구조의 경우 재생 타겟이 결정립이 미세하고, 표면이 비교적 매끄러웠으며,XRD 패턴 분석 결과 조립하게 한 방향으로 결정이 성장하여, 박막이 조밀하고 균질한 것을 알 수 있었음. 박막의 품질계수값을 계산하여 박막의 품질을 확인한 결과 재생타겟 2.03E-02Ω-1(at 400℃,) 상용타겟이 2.0E-02Ω-1(at 300℃)로 차이가 없었음. ITO박막 평가 결과 상용타겟과 전기적 특성이 유사하여, TSP 등에 적용이 가능함을 알 수 있었음.
- 개발 전, 후 청정성 평가 수행 및 환경적 성과 개선
: 3차년도 개발 온실가스 저감율은 ITO분말 1kg 단위 생산 기준으로 기존공정 온실가스 배출량 22.546 kg CO2-eq에서 3차년도 개발공정 16.938 kg CO2-eq으로 산정되어, 연구개발 전 수준 대비 약24.9% 감소효과가 예상됨.
3차년도 환경성 개선항목에서는 폐기물 발생량은 연구개발 전 수준 대비 약 87%, 폐수 발생량은 약 72% 감소한 것으로 나타남.
○ 참여기관(전자부품연구원)
- 용해된 ITO의 환원 및 ITO 전구체의 In-situ 분산 석출 최적화
: 주관기관으로부터 ITO 용해액을 받아 참여기관에서 PVP 분산제 용액을 적용, 알칼리 환원제 용액에 산성 ITO 용액을 투입하면서 ITO를 환원하는 역 환원법을 이용하여 제조 효율을 최적화하면서 ITO 나노분말을 재생하였음. 특히, 질소 분위기에서 열처리하여 입자의 분산 및 구형화를 최적화, ITO 입자간 응집을 최소화하였고, (222) 우선방위의 결정성이 매우 우수한 ITO 나노분말을 재생하는 In-situ 분산을 최적화하였음.
- 재생 ITO 나노분말 물성에 영향을 미치는 변수 조건 최적화
: 입자 크기(입도), 비표면적, 분포, 결정구조 및 인듐(In)과 주석(Sn) 성분의 조성비 등 재생 ITO 나노분말의 물성에 영향을 주는 변수로 염산 용액 내 ITO 농도, 분산제, 용매, 열처리 온도, 환원제 등 변수들을 추출, 이 변수들을 중심으로 연구를 수행하였음.
이와 함께, 열처리 분위기가 입자의 형상 및 입도 분포 등 주요 물성에 영향을 미치는 것을 파악하였고, 이러한 변수 조건들을 최적화하여 재생 ITO 나노분말을 제조하였음.
- In-situ 분산 적용을 위한 용매-분산제 용해 조합 최적화
: 본 연구에서는 PVP 물질이 분산제로서 재생 ITO에 가장 적합하였고, 이러한 PVP 분산제가 염산 용액보다는 암모니아 용액에 양호하게 용해되어, 암모니아 – PVP 분산제 조합으로 확립하였음. 이러한 조합과 역환원 공정을 중심으로 재생 ITO 나노분말의역 환원 In-situ 분산 연구를 수행, 재생 효율을 향상할 수 있는 적합한 In-situ 분산 조건을 확립하였음.
- 환원 조건에 따른 ITO 전구체의 석출 변수 조건 최적화
: 재생 ITO에 가장 적합한 성능을 보이는 분산제인 PVP가 염산용액보다는 암모니아 용액에 양호하게 용해되어, 암모니아 –PVP 분산제 조합으로 확립하였고, 이러한 조합을 중심으로 재생 ITO 물성을 좌우하는 첫 단계인 환원 과정에서 환원 조건에 따른 ITO 전구체의 석출 변수를 환원제, 염산 용액 내 ITO 농도,용매 및 분산제 (농도) 등으로 추출하였고, 분산제인 PVP 농도는 0.1 wt%에서도 In-situ 분산이 양호하게 이뤄지고 타겟용 분말로 적합하여 이러한 석출 변수로서 조건을 최적화하였음.
- ITO 나노분말 재생 조건 및 물성 최적화
: PVP 열분석을 통해 400℃에서 열처리 시 분산 조건이 가장 적합한 것을 알 수 있었고, 이를 0.1 wt% 농도 조건과 결합하여 0.1 wt% PVP + 400℃ 조합으로 조건을 확립하였음. 각 변수별물성 관찰 및 100 g/L 용액, 0.1 wt% PVP, 암모니아 환원제, 역환원 In-situ 분산, 400℃ 열처리 조건으로 비표면적 64.3 m2/g,입도 20 nm 이하의 미세한 재생 ITO 나노분말 입자를 제조, 물성 조건을 최적화하였음. 또한, 이러한 분말을 이용하여 미니 타겟을 제작하였고, 다양한 분위기에서 분말 열처리 및 타겟 소결을 하여 air 분위기 조건에서의 분말 열처리 및 타겟 소결이 가장 최적이 조건임을 확인하여 ITO 나노분말의 재생 조건 및 물성을 최적화하였음.
- 액상 ITO 기반 투명전극 제작 및 투명전극 적합성 평가
: 제조된 재생 ITO 나노분말 입자를 용매에 분산하여 20 wt% 잉크를 제조, 제타 전위가 –59.25 mV로 양호한 분산액을 구현함.
이를 적용한 투명 도전체 막은 신품 ITO 나노분말 막과 동등 이상의 성능을 보여 투명전극에 적용 가능성을 나타냄. 또한, 재생 ITO 용액을 실리콘 기판에 코팅 및 1000 ℃의 고온에서 열처리후 그 위에 투명 폴리이미드(cPI) 용액을 코팅하여 전사한 결과면저항 약 100 Ω/□ 및 투과율 약 90%의 플렉서블 투명 전극을 구현함. 이를 5 mm 직경까지 벤딩시에도 저항이 1 ~ 2 % 이내에서 변하는 매우 안정된 특성을 나타내었음. 또한, 재생 ITO 용액기반 투명전극 막은 투명 히터로도 우수한 특성을 나타내어 쿼츠 기판에서는 654 ℃, cPI 기판에서는 325 ℃의 매우 높은 발열 특성을 구현하여 고온 투명 히터로서 적용이 가능하였음. 이밖에도 저농도의 재생 ITO 용액(5 wt%)와 저 농도의 은 나노선(Ag NWs, 0.15 wt%)와의 하이브리드 구조로 면 저항 19.6 Ω/□,광 투과율 약 90%의 매우 우수한 플렉서블 투명 전극 특성을 나타내었고. 5 mm 직경의 벤딩에도 안정적인 경향을 나타내었으며, 이를 투명 히터에 적용시 발열 효율이 328.7 ℃/(W/cm2)인 가장 효율적인 투명 히터의 결과를 나타내었음. 이와 함께 IGZO 기반의 투명 박막 트랜지스터(TFT)에 적용시 성능이 향상하는 등 타겟과 함께 다양한 응용이 가능한 적합성을 확인하였음.
기술개발 배경
본 과제에서는 생산 공정 중 불용 ITO 타겟을 재자원화할 때 인듐(In)과 주석(Sn)을 분리하지 않고 동시에 재자원화하여 제조단계 공정단축,투입물질의 저감, 재자원화 기술혁신 등을 통하여 고순도 ITO 나노분말의 품질 경쟁력 제고와 생산 단가를 낮추는 동시에 수계 및 대기 배출물,폐기물 등 공정 오염물 발생을 저감하고, 기후변화협약 대응 온실가스 발생량의 감소(기존공정에 비해 약 20%)와 생산 제품·공정의 환경경제효율성 향상을 목표로 기술 개발을 추진함.
핵심개발 기술의 의의
생산 공정 중 불용 ITO 타겟으로부터 In과 Sn을 동시에 석출 환원반응으로 ITO 복합산화분말로 재자원화하였고, In-situ 분산법을 적용하여 석출과 동시에 분산이 되도록 함으로써 양호한 물성의 ITO 나노분말 입자를 재생하였고, 이를 적용하여 양호한 물성의 스퍼터링 타겟을 구현하였음. 이로써 기존 대비 제조단계를 16단계에서 9단계로 별도의 회수공정이 필요없는 7단계의 공정으로 단축하였음. 개발공정에서 기후변화협약 대응 온실가스 예상배출량의 저감효과(기존공정 대비 약25%) 및 폐기물, 폐수 등 공정 오염물질의 개선효과가 기대되며, 제품의 품질 및 가격 경쟁력을 향상하여 갖추어 수요기업에 판매, 매출이 발생하였음. 향후 관련 시장이 증가하면서 본 제품의 매출도 비례적으로 증가할 것으로 예상됨. 이 밖에도 재생 ITO 나노분말을 분산한 용액을 개발, 용액 기반의 제품 및 인쇄 전자 제품의 적용 기반을 마련하였음.
적용 분야
- 1차 제품 : ITO 스퍼터링 타겟, ITO 나노분말 분산 용액 등
- 2차 제품 : 투명 전극, 투명 히터, 투명 트랜지스터 등
플렉서블 투명 도전체 필름 기판 등
- 3차 제품 : OLED 디스플레이, 태양전지, 조명, 전자파 차폐막,대전 방지제, 투명 디스플레이, 플렉서블 디바이스 및 디스플레이 등
- 기타 제품 : 센서 (바이오 센서, 가스 센서 등)
대응규제/환경성
기존 91%의 In만 회수하던 것에서 ITO로 거의 100% 재자원화하는 공정을 개발하여 EU WEEE지침의 효율적인 대응에 기여하고,기존공정(과제수행 전)공정 대비 3차년도 개발공정에서 온실가스(CO2) 예상발생량은 24.9%, 폐기물 예상발생량 86.6% 및 폐수 예상발생량은 72.3%의 환경성 개선효과가 기대됨.
( 출처: 최종보고서 초록 - 3. 개발결과 요약 4p )
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 13
- 목차 ... 18
- 제 1 장 서론 ... 19
- 제 1 절 과제의 개요 ... 19
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 21
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 21
- 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 24
- 제 3 절 수행 결과의 보안등급 ... 28
- 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 29
- 제 3 장 결과 ... 30
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 30
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 74
- 제 3 절 고용 창출 효과 ... 76
- 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 77
- 제 4 장 사업화 계획 ... 79
- 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 79
- 제 2 절 사업화 계획 ... 82
- 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 83
- 부록 1 : 실적 첨부서 (수요기업 인정서, 공인시험성적서 등) ... 84
- 끝페이지 ... 89
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