從專利角度分析ITO靶材的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

羅蓉麗，安正源，莊 健，王應(yīng)武，朱新祥，汪玲玲

1 引言

我國是世界第一產(chǎn)銦大國，銦資源豐富，全球70%的銦來自我國，但是目前因為銦產(chǎn)業(yè)的深加工方面落后，導(dǎo)致大量初級原生銦出口流失，附加值過低，經(jīng)過國外加工，又高價購買高附加值產(chǎn)品，如高品質(zhì)ITO靶材長期依賴國外進(jìn)口。由于我國在ITO靶材制備技術(shù)研究起步較晚，國外在制備技術(shù)上對我國進(jìn)行封鎖，目前，我國制備的ITO靶材只能滿足低端產(chǎn)品的要求。近年來，隨著液晶顯示行業(yè)的發(fā)展，對ITO靶材的需求不斷増加，ITO靶材的研究也越來越迫切，我國新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”重點產(chǎn)品中指出氧化銦錫（ITO靶材）作為“十二五”攻關(guān)重點項目立項研究，在多年的努力下，在ITO靶材制備技術(shù)方面取得了一定的成果。國內(nèi)生產(chǎn)ITO靶材的企業(yè)主要有華錫集團(tuán)、株冶、山東藍(lán)狐、寧夏工廠、北京冶科、廣西晶聯(lián)等，但產(chǎn)量不大，不能滿足國內(nèi)顯示器發(fā)展的需求。因此，我國必須優(yōu)先發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的ITO靶材制備技術(shù)，基于上述背景，本文以ITO靶材的國內(nèi)外相關(guān)專利為研究對象，運(yùn)用專利信息分析方法，深入分析ITO靶材的發(fā)展趨勢、核心技術(shù)、競爭對手的專利布局情況，幫助我國相關(guān)研制單位確定研究方向、獲得技術(shù)啟發(fā)、借鑒先進(jìn)技術(shù)，從而促進(jìn)高端靶材國產(chǎn)化進(jìn)程，充分發(fā)揮我國銦資源的優(yōu)勢，對調(diào)整銦產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)也具有十分重要的意義。

2 ITO靶材專利申請態(tài)勢分析

2.1 全球?qū)＠暾堏厔?/h3>

本次全球檢索共獲得ITO靶材相關(guān)專利25960件，國內(nèi)11316件，國外14644件。圖1反映的是自2003年以來在ITO靶材專利申請量趨勢，從整體上看，國內(nèi)的申請量整體呈上升趨勢，國外專利申請呈下降趨勢，我國在2011年的專利申請量超過了國外。（需要說明的是，由于專利申請文件從申請到公開通常需要18個月，而數(shù)據(jù)只有在公開后才會被收入數(shù)據(jù)庫中，并且同時數(shù)據(jù)庫更新存在一定時滯，因此截止本報告數(shù)據(jù)檢索日，2021年至2022年之間提出的部分專利申請尚未在專利檢索庫中公開，因此本文未對2021年至2022年專利申請數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，后文對此現(xiàn)象和原因不再贅述）。圖2為中國和世界其他國家/地區(qū)申請量比較。從各國申請趨勢來看，日本、韓國、美國在ITO靶材領(lǐng)域申請專利較早，且ITO靶材生產(chǎn)工藝較成熟，目前液晶顯示器原材料也主要來源于這幾個國家，我國起步晚但發(fā)展迅速，在2006年超過美日韓成為全球?qū)＠暾垟?shù)量最多的國家。

圖1 ITO靶材全球?qū)＠暾埩口厔?/p>

圖2 中國和世界其他國家/地區(qū)申請量比較

2.2 主要申請人分析

圖3為中國申請人類型構(gòu)成，從圖可以看出，我國ITO靶材領(lǐng)域的創(chuàng)新主體是企業(yè)，占比為66.47%，其次是大專院校，占比為25.08%。

圖3 中國申請人類型構(gòu)成

表1為在華排名前10的申請人及其申請量，從表1的申請人可以看，排名10中有4家是企業(yè)，6家是高校。ITO靶材國內(nèi)主要申請人為京東方、電子科技大學(xué)、華南理工大學(xué)等。表2為排名前10的國外申請人，由此可見，國外主要申請人是韓國LG、三星公司，日本出光興產(chǎn)株式會社、住友、三菱、東曹等公司。其中京東方的主要研究方向為顯示器領(lǐng)域，電子科技大學(xué)的主要研究方向為太陽能電池領(lǐng)域，華南理工大學(xué)的主要研究方向為太陽能電池、發(fā)光二極管等領(lǐng)域。韓國LG、三星公司主要研究方向為顯示器領(lǐng)域，而日本出光興產(chǎn)株式會社、住友、東曹的研究方向主要為濺射靶，氧化物半導(dǎo)體薄膜的制備；日本三菱的主要研究方向為ITO粉末的制備；日本松下電器主要的研究方向為液晶顯示器領(lǐng)域。

表1 排名前10的國內(nèi)申請人

表2 排名前10的國外申請人

在ITO靶材領(lǐng)域，國外申請人排名前十中，日本占7家，分別是出光興產(chǎn)株式會社、半導(dǎo)體能源研究所、住友、三井以及東曹等公司。韓國2家，分別是LG公司和三星集團(tuán)；美國1家。由此可見，日本作為ITO靶材的研究較早的國家，其在該領(lǐng)域的申請量遙遙領(lǐng)先于其它國家，已經(jīng)打造出制粉、制靶、鍍膜及平板顯示器件制造完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

2.3 其他國家在華申請情況

圖4為其他國家的在華申請量。排在前四位的分別為日本、韓國、美國和德國。日本在ITO靶材領(lǐng)域擁有成熟的制備技術(shù)和先進(jìn)的裝備，并在全球進(jìn)行了專利布局，在中國布局了471項專利。其次是韓國，韓國緊隨日本在ITO靶材領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展，打破了日本企業(yè)在靶材制備方面的技術(shù)壟斷地位，韓國在華也布局了138件專利。日本在華的主要申請人為半導(dǎo)體能源研究所、三井和日礦金屬等，研究方向主要是ITO粉末、靶材、鍍膜及顯示器。韓國在華的主要申請人是LG和三星公司，研究方向主要為顯示器及靶材的制備。其中日本、韓國主要通過粉漿澆注-常壓燒結(jié)法制備ITO靶材，美國、德國主要通過熱等靜壓法制備ITO靶材，而我國主要采用氣氛燒結(jié)法制備ITO靶材。

圖4 其他國家在華申請情況

2.4 技術(shù)構(gòu)成

ITO靶材領(lǐng)域的各國IPC技術(shù)構(gòu)成如圖5所示。我國的IPC分類號排名前五的是電阻式觸摸屏、觸摸面板等輸入裝置G06F3、液晶顯示裝置G02F1、有機(jī)發(fā)光器件H01L51 和H01L33、ITO靶材制備C23C14，其中ITO靶材制備C23C14占比為10%，然而，在國內(nèi)的ITO靶材制備C23C14分類號中，中國本土申請占比為86%，日本在我國占比達(dá)到10%，因此，中國本土申請ITO靶材制備C23C14分類號占比僅有8.6%。在電阻式觸摸屏、觸摸面板等輸入裝置G06F3、液晶顯示裝置G02F1、有機(jī)發(fā)光器件H01L51 和H01L33中的應(yīng)用占比分別為23%、20%、14%和8%。國外IPC分類號排名前五的是ITO靶材制備C23C14、液晶顯示裝置G02F1、有機(jī)發(fā)光器件H01L21、H01L29和H01L31。國外ITO靶材制備C23C14占比為17%，ITO靶材在液晶顯示裝置G02F1、有機(jī)發(fā)光器件H01L21、H01L29和H01L31的應(yīng)用占比分別為17%、13%、10%、9%。日本和韓國排名前三的IPC分類號相同，均為：G02F1、C23C14、H01L21。ITO靶材制備C23C14日本占比17%，韓國占比為14%。由此可見，我國在ITO靶材制備C23C14占比最低，但在顯示器領(lǐng)域G06F3、G02F1占比高于日本、韓國。這與銦產(chǎn)業(yè)鏈整體情況相吻合，即銦產(chǎn)業(yè)鏈下游ITO靶材制備技術(shù)不能滿足國內(nèi)顯示器發(fā)展的需求，高端ITO靶材仍然需要大量進(jìn)口。

圖5 各國IPC技術(shù)構(gòu)成圖

2.5 ITO靶材的重點專利分析

日本住友早在2002年申請了公開號為JP2004143484A，名稱為“高濃度ITO靶材以及制備方法”的相關(guān)專利，并公開了ITO靶材中氧化錫的含量為20%-50%，ITO靶材的平均密度為7.0 g/cm3以上；其制備方法為：將比表面積值11.4 m2/g，平均粒徑0.37μm的氧化銦粉末80%，比表面積11.3 m2/g，平均粒徑1.3μm的氧化錫粉末20%，在此基礎(chǔ)上，將聚乙烯醇和分散劑分別添加到原料粉末中，使其達(dá)到1.25%，再加入規(guī)定量的純水，制成濃度為60%的漿料，用球磨機(jī)進(jìn)行20小時左右的混合粉碎。粉碎后的漿料在熱風(fēng)溫度150℃下用噴霧干燥器干燥，粒徑10～100μm，在常溫下用該造粒粉在196MPa的壓力下制作成型體得到的成型體，在1500℃下燒結(jié)20小時，得到280×130×10mm的燒結(jié)體得到的燒結(jié)體的密度為7.12 g/cm3。

為了防止燒結(jié)時產(chǎn)生裂縫，日本住友在2003年申請了專利號為JP2005126766A，名稱為“氧化銦基靶材及其制備方法”，該靶材包括比表面積為5至15m2/g氧化銦粉末，表面積為5至15m2/g的2～8 %氧化錫，表面積為5至25m2/g質(zhì)量百分含量為5-20%的氧化鈰粉末以及比表面積為5至60m2/g質(zhì)量百分含量小于1%的氧化鈦。隨后，日本NIKKO MATERIALS 在2003年申請了公開號為JP2004315951A，名稱為“ITO濺射靶及其制造方法”，該專利的 ITO中含有鋯100至280wtppm，能夠在形成透明電極膜的濺射工藝中減少噪聲的形成和異常放電的靶點。在2010年以后，在氧化銦錫的基礎(chǔ)上添加鋯、鎵、鋅等元素制備出性能的更優(yōu)的ITO靶材的專利申請越來越多，如JX金屬株式會社申請的2013年申請的JP2014073959A、2014年申請的JPWO2015059938A1、JPWO2014156234A1，JP2015140450A，半導(dǎo)體公司申請的JP2014194076A。添加上述元素后，能夠在濺射過程中可防止異常放電，降低ITO靶材的電阻率，降低薄膜的電阻率，以益于作為透明導(dǎo)電膜形成。

韓國三星在2003年也申請了公開號為KR100474845B1，名稱為“氧化銦粉末及其制備方法、采用氧化銦粉末制備靶材”的方法的相關(guān)專利，其采用共沉淀法制備了40-160nm的氧化銦粉末，并將氧化銦粉末與氧化錫按90:10混合后燒結(jié)得到ITO靶材。2010年三星申請了公開號為KR1020110047308A，名稱為“銦錫氧化物濺射靶和透明導(dǎo)電膜制備方法”，該靶材包括氧化銦（In2O3），氧化錫和氧化鎵，錫原子的含有率為銦原子和鎵原子的總和的5-15原子。

我國在ITO靶材領(lǐng)域的研究起步晚，在2008年，株冶集團(tuán)申請了公開號為CN101407904A，名稱為“熱等靜壓法生產(chǎn)ITO靶材的方法”的相關(guān)專利，其制粉工藝采用的是化學(xué)共沉淀法，成形工藝采用的是冷等靜壓法，并采用熱等靜壓燒結(jié)法。2010年北京化工大學(xué)申請了公開號為“CN101812665A”，名稱為“單相結(jié)構(gòu)-高密度銦錫氧化物靶材的制備方法”的相關(guān)專利，其制粉也是采用化學(xué)共沉淀法，成形工藝采用的是冷等靜壓法，燒結(jié)工藝采用氧壓燒結(jié)法，燒結(jié)過程中不用添加分散劑和燒結(jié)助劑，所需生產(chǎn)成本低，得到的靶材成分更均勻，不容易開裂。但共沉淀技術(shù)對調(diào)整不同銦錫比的ITO靶材非常不方便，每批次之間的主成分(銦錫比)均勻性的穩(wěn)定存在較大問題。隨著技術(shù)的更新與發(fā)展，采用氧化銦和氧化錫進(jìn)行物理混合制備ITO靶材成為了制備高性能ITO靶材的主要方法，特別是日本ITO靶材企業(yè)。株冶集團(tuán)在2018年申請的CN108947520A專利中，也采用了物理混合氧化銦和氧化錫粉末的方法獲得ITO漿料，經(jīng)過噴霧造粒，得到坯料，之后通過壓力成型和常壓燒結(jié)得到高密度的ITO靶材。

通過對各國的ITO靶材的專利的定性分析可知，我國在吸取日本、韓國的ITO的制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出低成本（即不添加分散劑和燒結(jié)助劑）、利用率高（即管狀靶材）的ITO靶材，在國內(nèi)顯示技術(shù)的快速發(fā)展的驅(qū)動下，相信國內(nèi)相關(guān)企業(yè)很快將突破高端ITO靶材的制備技術(shù)瓶頸。

表3 ITO靶材的重點專利

3 結(jié)論

基于ITO靶材領(lǐng)域的專利定量和定性分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在專利申請數(shù)量方面：我國在ITO靶材領(lǐng)域的專利申請呈上升趨勢，在2006年超過日本成為全球?qū)＠暾垟?shù)量最多的國家。

（2）在專利申請質(zhì)量方面：我國在ITO靶材制備方面的專利相比日本、韓國、美國還有很大的差距，但I(xiàn)TO靶材在顯示器領(lǐng)域的應(yīng)用方面顯示出強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢。

（3）在專利技術(shù)構(gòu)成方面：中國本土申請ITO靶材制備C23C14分類號占比僅有8.6%，而日本、韓國在ITO靶材制備C23C14分類號占比都在14%以上。

（4）在重點專利分析方面：我國應(yīng)該加強(qiáng)高端面板顯示領(lǐng)域的ITO靶材制備技術(shù)的研究，重點關(guān)注日本、韓國專利關(guān)于IT靶材的制備技術(shù)，加強(qiáng)ITO管狀靶材的專利布局。

4 建議

基于對ITO的全球?qū)＠畔⒎治?，較為全面的認(rèn)識到我國ITO靶材產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和未來發(fā)展的趨勢，在此，針對上述結(jié)論提出幾點建議：

（1）關(guān)注日本、韓國等國際巨頭的專利布局。

在ITO靶材領(lǐng)域，日本、韓國掌握著ITO靶材的核心專利，并且日本、韓國已經(jīng)在全球進(jìn)行了專利布局，我國應(yīng)緊盯日本、韓國等巨頭企業(yè)的專利成果，尤其是ITO粉末制備技術(shù)、高密度ITO靶材、大尺寸ITO靶材的制備等方向的專利成果。我國在技術(shù)突破過程中，從專利中獲取技術(shù)啟示，另外，還需要進(jìn)行專利規(guī)避，避免知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險，還可以圍繞這些專利設(shè)計外圍專利。

（2）提高我國企業(yè)自主創(chuàng)新能力。

隨著平面顯示技術(shù)的高速發(fā)展，要求用于高端平面顯示器的高密度ITO 靶材具有生產(chǎn)低成本化、尺寸大形化、成分結(jié)構(gòu)均勻化及高利用率的發(fā)展趨勢，而我國在高端ITO靶材制備領(lǐng)域的專利質(zhì)量不高，因此，我國應(yīng)該加大ITO靶材的科研力量的投入，注重人才的培養(yǎng)。鼓勵技術(shù)人員進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造。也可以與高?？蒲性核M(jìn)行合作，同時，還可以從國外引進(jìn)ITO靶材行業(yè)的高端人才，推動我國ITO靶材行業(yè)的自主創(chuàng)新能力。