Indium (In) là gì? Kim loại chiến lược trong màn hình cảm ứng

Tìm hiểu Indium (In) là gì, nguyên tố hóa học số 49. Khám phá tính chất, ứng dụng trong ITO, CIGS, chất bán dẫn và tầm quan trọng chiến lược của kim loại này.

Indium (ký hiệu In, số nguyên tử 49) là một kim loại mềm, màu trắng bạc, đóng vai trò then chốt trong thế giới công nghệ hiện đại. Bạn có thể không nhận ra, nhưng rất có thể bạn đang chạm vào Indium ngay lúc này. Nó là thành phần cốt lõi trong Indium Tin Oxide (ITO), vật liệu trong suốt dẫn điện được sử dụng trong hầu hết các màn hình cảm ứng, LCD và OLED.

Ngoài ra, Indium còn là vật liệu quan trọng cho pin mặt trời CIGS, hợp chất bán dẫn và hợp kim hàn điện tử. Với trữ lượng toàn cầu chỉ khoảng 16.000 tấn và nhu cầu tăng vọt (dự kiến 7.6% CAGR đến 2025), Indium thực sự là một kim loại chiến lược của tương lai.

Indium là gì?

Indium là một nguyên tố hóa học (In, số 49), là kim loại hậu chuyển tiếp mềm, màu trắng bạc, hiếm, và là sản phẩm phụ chủ yếu từ quá trình tinh luyện quặng kẽm.

Indium là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm kim loại hậu chuyển tiếp trong bảng tuần hoàn hóa học, có số nguyên tử 49 và khối lượng nguyên tử 114.818. Việc hiểu rõ cấu tạo nguyên tử của Indium giúp giải thích các tính chất độc đáo của nó.

Trong tự nhiên, Indium không tồn tại ở dạng tự do. Nó là một nguyên tố hiếm nhưng không phải là đất hiếm. Indium chủ yếu được tìm thấy với hàm lượng rất thấp (0.1-100 ppm) trong các quặng kẽm (Zn) (chủ yếu là sphalerite) và quặng chì (Pb). Do đó, sản xuất Indium gần như hoàn toàn là sản phẩm phụ của quá trình tinh luyện kẽm và chì.

Tính chất vật lý và hóa học nổi bật

Indium là một trong những kim loại mềm nhất, màu trắng bạc, có điểm nóng chảy thấp (156.6°C), dẫn điện và nhiệt tốt, đồng thời có khả năng kháng oxy hóa ở nhiệt độ thường.

Indium là một trong những kim loại mềm nhất, mềm đến mức có thể cắt bằng dao và để lại vệt trên giấy. Nó có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, đồng thời không dễ bị oxy hóa trong không khí ở nhiệt độ thường.

Thuộc tính	Giá trị
Ký hiệu	In
Số nguyên tử	49
Trạng thái	Rắn mềm
Màu sắc	Bạc trắng
Điểm nóng chảy	156.6°C
Điểm sôi	2072°C
Khối lượng riêng	7.31 g/cm³ (Tham khảo thêm về tỷ trọng)
Cấu trúc tinh thể	Tetragonal (Tham khảo thêm về mạng tinh thể)
Tính chất đặc biệt	Dẫn điện cao, kháng oxy hóa, dễ dát mỏng

Về mặt hóa học, Indium có thể tạo ra các oxit (ví dụ: Indium(III) oxide) và phản ứng với các halogen (như Flo hoặc Brom).

Nguồn gốc và trữ lượng toàn cầu

Indium được thu hồi từ cặn tinh luyện quặng kẽm. Trữ lượng kinh tế toàn cầu rất hạn chế, ước tính chỉ khoảng 16.000 tấn, với sản lượng năm 2023 khoảng 900 tấn.

Indium được thu hồi chủ yếu từ bụi lò và cặn trong quá trình tinh luyện quặng kẽm thông qua các phương pháp như thủy luyện và điện phân. Trữ lượng kinh tế toàn cầu ước tính chỉ khoảng 16.000 tấn, phân bố rải rác với hàm lượng trung bình rất thấp (khoảng 0.1 ppm).

Sản lượng toàn cầu năm 2023 đạt khoảng 900 tấn. Tuy nhiên, với nhu cầu tăng cao, dự báo sản lượng có thể cần đạt 3.500 tấn/năm vào năm 2030 để đáp ứng.

Các quốc gia sản xuất chính

Trung Quốc thống trị thị trường sản xuất Indium, chiếm khoảng 60% tổng sản lượng. Các quốc gia tiếp theo là Hàn Quốc, Nhật Bản và Canada.

Nguồn cung Indium tập trung cao độ ở một vài quốc gia, làm tăng rủi ro địa chính trị:

• Trung Quốc: Thống trị thị trường với khoảng 405.000 kg (60% tổng sản lượng).
• Hàn Quốc: 165.000 kg.
• Nhật Bản: 71.000 kg.
• Canada: 62.000 kg.
• Bỉ, Mỹ: Chủ yếu tái chế từ rác thải điện tử (e-waste).

Hoa Kỳ hiện phụ thuộc 100% vào nhập khẩu Indium, điều này đặt ra thách thức lớn cho an ninh chuỗi cung ứng công nghệ cao.

Ứng dụng công nghiệp của Indium

Ứng dụng lớn nhất (85%) của Indium là sản xuất Indium Tin Oxide (ITO) cho màn hình cảm ứng và LCD/OLED. Nó cũng được dùng làm chất bán dẫn (InP, InSb), hợp kim hàn nhiệt độ thấp và trong pin mặt trời CIGS.

Indium có giá trị cao nhờ các ứng dụng đa dạng trong công nghệ tiên tiến.

4.1. Màn hình cảm ứng, LCD và OLED

Đây là ứng dụng lớn nhất, chiếm tới 85% tổng nhu cầu Indium toàn cầu. Hợp chất Indium Tin Oxide (ITO) có đặc tính độc đáo là vừa dẫn điện, vừa trong suốt quang học.

Trong sản xuất, một lớp ITO siêu mỏng (100-500 nm) được phủ lên kính hoặc nhựa dẻo để tạo ra lớp điện cực trong suốt cho màn hình LCD, OLED và màn hình cảm ứng, cho phép ánh sáng đi qua (truyền sáng >90%).

4.2. Chất bán dẫn và linh kiện điện tử

Indium được sử dụng để tạo ra các hợp chất bán dẫn quan trọng, hoạt động ở tốc độ cao hơn silicon:

• Indium Phosphide (InP): Dùng trong diode laser, hệ thống viễn thông 5G và cáp quang tốc độ cao.
• Indium Antimonide (InSb): Cực kỳ nhạy cảm với tia hồng ngoại, dùng trong các cảm biến hồng ngoại quân sự và thiên văn học.
• Indium Arsenide (InAs): Dùng cho cảm biến tia sóng ngắn, hoạt động tốt trong môi trường khắc nghiệt.

4.3. Hợp kim hàn nhiệt độ thấp

Indium tạo ra các hợp kim hàn (solder) có điểm nóng chảy rất thấp. Ví dụ, hợp kim In-Bi-Sn (Indium-Bismuth-Thiếc) có thể nóng chảy ở 47°C. Chúng rất quan trọng để hàn các linh kiện điện tử siêu nhỏ, nhạy cảm với nhiệt, thiết bị y tế và là giải pháp thay thế hợp kim hàn chứa chì (theo tiêu chuẩn RoHS).

4.4. Công nghệ vũ trụ và năng lượng

• Vũ trụ: Indium được dùng làm đệm nhiệt trong các vệ tinh nhờ khả năng hấp thụ và phân tán nhiệt tuyệt vời trong môi trường chân không. Nó cũng được dùng trong các cảm biến nhiệt độ chính xác.
• Năng lượng: Indium là thành phần không thể thiếu trong pin mặt trời màng mỏng CIGS (Copper-Indium-Gallium-Selenide). Pin CIGS đạt hiệu suất cao (lên đến 22.8%), nhẹ, linh hoạt và là một trong những công nghệ năng lượng tái tạo hứa hẹn nhất.

Ưu điểm và nhược điểm của Indium

Ưu điểm: Rất mềm, dễ gia công, dẫn điện/nhiệt cao, kháng oxy hóa.
Nhược điểm: Sản lượng thấp, giá cao, nguồn cung phụ thuộc vào kẽm và tập trung địa chính trị (chủ yếu là Trung Quốc).

Ưu điểm

• Tính mềm dẻo: Là kim loại mềm, rất dễ gia công, dát mỏng và tạo hình.
• Dẫn điện và nhiệt cao: Lý tưởng cho các ứng dụng điện tử và tản nhiệt.
• Kháng oxy hóa: Bền bỉ ở nhiệt độ thường.
• Độc tính thấp (dạng rắn): Ở dạng kim loại rắn, Indium được coi là không độc (Lưu ý: Cần tránh hít phải bụi Indium vì có thể gây hại cho đường hô hấp).

Nhược điểm

• Sản lượng thấp: Nguồn cung hoàn toàn phụ thuộc vào sản lượng tinh luyện kẽm (Zn).
• Giá cao: Chi phí tinh luyện đắt đỏ và nguồn cung hạn chế khiến giá Indium cao (khoảng 2525 CNY/kg vào năm 2025).
• Cạnh tranh: Nhu cầu lớn từ cả ngành điện tử tiêu dùng và quốc phòng tạo ra sự cạnh tranh gay gắt.
• Rủi ro địa chính trị: Nguồn cung tập trung chủ yếu vào Trung Quốc có thể gây gián đoạn chuỗi cung ứng.

Tình hình cung – cầu và vai trò chiến lược

Nhu cầu Indium đang tăng mạnh do 5G, AI và năng lượng tái tạo, trong khi nguồn cung khai thác bị thắt chặt. Do đó, tái chế rác thải điện tử (chiếm 25% nguồn cung) và vai trò chiến lược của Indium (được Mỹ, EU đưa vào danh sách vật liệu chiến lược) ngày càng trở nên quan trọng.

Nhu cầu về Indium dự kiến sẽ tiếp tục tăng mạnh vào năm 2025 và xa hơn, được thúc đẩy bởi sự bùng nổ của AI, 5G, IoT và năng lượng tái tạo. Trong đó, 85% nhu cầu vẫn đến từ sản xuất ITO.

Với sản lượng khai thác chỉ khoảng 900 tấn/năm, nguồn cung đang bị thắt chặt. Do đó, tái chế đã trở thành một giải pháp sống còn.

Hiện nay, khoảng 25% nguồn cung Indium đến từ tái chế rác thải điện tử (e-waste). Quá trình này bao gồm thu gom màn hình cũ, sau đó dùng axit để tách lớp ITO. Đây là một ví dụ điển hình của mô hình 3R (Reduce, Reuse, Recycle) trong nền kinh tế tuần hoàn.

Do tầm quan trọng và tính không thể thay thế trong nhiều ứng dụng công nghệ cao, Indium đã được Mỹ và EU đưa vào danh sách các vật liệu chiến lược. Các nhà khoa học đang nghiên cứu vật liệu thay thế ITO, như graphene (một dạng cấu trúc của graphite), nhưng vẫn chưa thể thương mại hóa ở quy mô lớn.

Kết luận: Indium là một mắt xích quan trọng, thầm lặng nhưng không thể thiếu, giúp vận hành thế giới số hóa. Đảm bảo nguồn cung Indium, đặc biệt thông qua tăng cường tái chế, là yếu tố then chốt để ổn định chuỗi cung ứng công nghệ cao toàn cầu.