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OLED显示屏的重要结构之一:铟锡氧化物(ITO)

宗华黄金(zonghuagold.com)讯,OLED为下一代的平面显示器新兴应用技术,具备有构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优点。媒体报道iPhone手机明年或改用OLED屏幕。OLED显示屏的重要结构之一即为铟锡氧化
A- A+ 2017-12-22 13:30:44

宗华黄金(zonghuagold.com)讯,OLED为下一代的平面显示器新兴应用技术,具备有构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优点。媒体报道iPhone手机明年或改用OLED屏幕。OLED显示屏的重要结构之一即为铟锡氧化物(ITO)。

当前,以信息技术为中心的新兴产业已经起步发展,并席卷全球每块土地,我们在看电视,时时在用手机,可是你知道它们的平板显示器是用什么材料制的呢?各类电脑和电子设备的各类板显示器是用什么材料制成呢?目前,它们都是用铟锡氧化物(ITO)制造的,是用它们的薄膜制造的,没有这层薄薄膜的显示,我们什么也看不见,统统变成瞎子,2016年,全世界提取的铟约有78%消耗于此类产品,不过在若干年后,铟锡氧化物膜有可能被薄得令人叹为观止的7nm(nanometer)厚的银膜替代,但在可预见的未来,你的屏幕中仍有铟锡氧化物。当下,LED光源也是铟应用的一个重要领域。

铟的性能  

铟(In)是一种稀散金属,“稀”是指稀少,据美国地质调查局(USGS)的资料,2008年世界铟储量为11000t,基础储量16000t,储量较多的国家是中国、秘鲁、美国、加拿大和俄罗斯,它们的储量占全世界总量的81%左右,中国的储量最丰富,但也只有约8000t,也有资料称,中国的储量超过12kt;“散”是指铟在地壳中的分布很分散,虽然确定有5种独立矿种(赤铁矿石、铜钼矿、含铜、铅、锌的锡石和黑钨矿石等),但它们在自然界很稀少,而铟多以杂质形式分散于其他元素矿物中,65%以上分散于铅锌矿中。铟是中国优势资源之一,分布也较为集中,主要集中在云南、湖南、青海、内蒙古和广西。  

铟是德国化学家赖希(F.Reich)和里希特(H.T.Richter)1863年在研究闪锌矿用光谱分析含氧化锌的溶液时,发现一条鲜蓝色新谱,随后分离出一种新的金属,他们按拉丁文蓝色(Indium)将这种金属命名indium,中文音译“铟”。  

铟是一种有金属光泽的银白色金属,质地柔软,用指甲就可以划出明显印痕;密度7280kg/m3~7362kg/m3;熔点低,156.6℃,而沸点甚高,2075℃~2100℃;铟的电导率低,仅为铜电导率的20%,电阻温度系数为4.9×103,电阻率8.5Ω·m~9Ω·m;铟的线胀系数几乎比铜的大一倍;铟有良好的塑性,可以加工成各种半成品;它的晶体结构为面心四方。用铟磨擦另一种物质时,就会被吸附一些在那种物质上,足见它的硬度之低。铟在0℃~100℃的平均热导率80.0W/(m·k)。  

铟的原子序数49,是周期表第五周期Ⅲα族中的一个元素,与硼、铝、镓、铊属同族元素,在空气中很稳定,不会氧化,仍能保持着银白色的金属光泽。可以缓慢地溶于冷稀酸,但在热酸或浓酸中会剧烈溶解,一般铟与沸水或碱液不发生反应,铟粉电解加工应采用可以发生可逆电极反应的缔电解质。铟的电镀在硫酸盐、氟硼酸盐和氨基酸磺酸液中进行。铟可与许多元素形成二元、三元、四元或更多元合金。通常,向许多合金中加入少量铟,就能使其表面硬化,提高其强度和抗腐蚀性能。  

铟本身对人体无害,对皮肤无刺激作用,在生产中采取通用卫生防护措施即可,但不可用于饮食工业,可溶性铟化物有一定的毒性,如磷化铟可致癌,欧盟化学委员会已于2010年1月将其列为危险化学品。  

铟的用途  

铟有合金“维生素”之称,向有些合金中添加少许铟即可改善某些性能,纯度为99.97%In是配制高速航空发动机银-铅-铟轴承合金的主要合金化元素。铟是元铅焊料的重要添加元素,如铟可用于取代着名的伍德合金中的铅,每加1%In,可使其熔点下降低1.45℃,当加至19.1%时,熔点可降到47℃。含量铟的轴承合金的使用寿命比不含铟合金的长三四倍。低熔点的含铟合金在消防装备中获得了广泛应用,用于断路保护装备及自动控制系统的热控装备。  

含铟与锡各50%的合金是良好的真空密封材料,可粘接玻璃-玻璃或玻璃-金属;含铟的金、钯、银、铜合金是牙科与装饰品的优秀材料。由于铟具有相当强的对光的反射能力和抗腐能力,是制造舰船反射镜的上乘材料。铟对中子辐射很敏感,成为原子能工业监控剂量材料的高手。  

铟是蓄电池的良好添加剂,是无汞碱性电池的上乘缓蚀剂,使电池成为抢手的绿色环保产品,铟在防止玻璃雾化层形成方面有着神奇的效果,在汽车玻璃上涂一层薄薄的透明铟,可在任何情况下不产生雾化层,已在高档汽车玻璃领域获得较多的应用,在商业大厦与住宅别墅等玻璃方面也会有一定的应用前景。  

铟及化合物在光电子器件及半导体器材领域有着广泛的应用,如锑化铟(InSb)、磷化铟(Inp)、砷化铟(InAs)等是有名的半导体器件材料。特别是磷化铟已在光纤通讯,激光光源和异质结太阳能电池方面得到有效的广泛应用,是优异的太阳能电池膜材料,具有转换率高、成本较低、便于携带、制造工艺简单等优点;锑化铟和砷化铟在红外探测和光磁器件制造方面也有着不可或缺的重要用途。LED光源也是铟应用的重要范围。  

以上仅是铟及其化合物应用的方方面面,当前消耗铟最多的是铟锡氧化物(ITO),2016年全世界生产的铟约有78%用于制备此种氧化物膜,供制造各种平板显示器屏幕,即使银显示屏在未来获得广泛的应用,ITO显示屏幕也不会烟消云散。  

铟的提取  

中国是铟的故乡,铟生产大国,云南省是中国铟资源开发重点地区与生产大省。一般铟的提取过程可分为四阶段:一是在主要重有色金属冶炼过程中的富集,作为综合利用副产品回收;二是制取铟富集物;三是通过种种化学冶金过程制取粗铟;四是电解粗铟获得4N(99.99%)的精铟。目前全球提取铟的主要工艺为萃取-电解法,其原则工艺流程:含铟原料→富集(铟含量宜≥0.002%)→浸出→净化→萃取→反萃取→锌(铝)置换→海绵铟→电解精炼→精铟。  

目前铟的提取-半成品加工-使用-回收再生已成为一个非常有效的循环经济,完全成熟,2006年全球再生铟产量就已超过原生铟的,前者75%以上是用新废料回收的,因为全球2016年铟的78%用于ITO靶村制备。制备靶材时ITO的利用率很低,仅20%~30%,其余的即是提取的新废料,含39%铟~55%铟,2.25%锡~3.15%锡,以及微量铜、硅、铁等杂质。  

回收再生铟的废料有新的与旧的,新者是指生产靶材时的工艺废料与生产ITO导电膜的靶材余料,旧废料是指使用寿命到期的含铟电子产品,如液晶屏等,但新废料占主导地位,中国已掌握成熟的废靶回收技术,但ITO靶材生产技术与工业发达国家的相比还有较大差距。  

现在,日本的5家企业、韩国三星公司、比利时优美科公司、美国铟公司、德国贺利氏公司等的ITO靶材生产技术居世界前列,但是日本的能源公司、东曹公司、同和公司、三井公司和住友公司不但产量最大,2016年产量约占世界总产量的85%,而且握生产技术牛耳,韩国三星公司产量约占全球总产量的12%,其他公司仅占3%。  

中国目前只能生产中低端ITO靶材,高端靶材大都从日本进口,虽然自1994年以来,华锡集团股份有限公司、株洲冶炼集团股份有限公司、东方钽业公司、山东威海蓝狐特种材料有限公司、韶关西格玛技术有限公司等都先后对此技术做了许多研发工作,但至尚未全面掌握高品质ITO靶材制备所需的气氛烧结技术。因此,中国还不能批量生产大尺寸、高密度、高纯度、高均匀性的ITO靶材。日本以低的价格从中国进口铟原料,却以高得惊人的价格向中国出口ITO靶材和显示屏幕膜。

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