[국내논문]고상법을 이용한 LED용 SrGa2S4:Eu 녹색 형광체의 합성 및 발광특성 Synthesis and Luminescence Characteristics of SrGa2S4:Eu Green Phosphor for Light Emitting Diodes by Solid-State Method원문보기
기존의 $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ 녹색 발광 형광체는 주로 CRT (Cathode Ray Tube)용이나 FED (Field Emission Display), 그리고 EL (Electroluminescence)용 발광소자로 많이 연구되어졌다. 현재는 장파장 영역의 여기 특성을 이용한 LED (Light Emitting Diode)용 형광체로 주목 되어지고 있다. $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ 형광체의 일반적 합성 방법은 Flux를 이용하여 인체에 유해한 $H_2S$나 $CS_2$ 기체를 사용할 뿐만 아니라 높은 합성온도, 긴 반응시간 및 공정이 복잡한 단점을 지니고 있다. 따라서 본 실험은 황화물계 원료인 SrS, $Ga_2S_3$ 그리고 EuS를 출발 물질로 하여 $H_2S$ 기체를 사용하지 않고 혼합 기체$(5% H_2/95% N_2)$를 사용해 환원 분위기 하에서 $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$을 합성하였다. 그리고 다양한 합성 조건과 LED용으로 사용되기 위해 수세처리와 Sieving 과정을 거친 형광체의 발광특성을 검토하였다.
기존의 $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ 녹색 발광 형광체는 주로 CRT (Cathode Ray Tube)용이나 FED (Field Emission Display), 그리고 EL (Electroluminescence)용 발광소자로 많이 연구되어졌다. 현재는 장파장 영역의 여기 특성을 이용한 LED (Light Emitting Diode)용 형광체로 주목 되어지고 있다. $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ 형광체의 일반적 합성 방법은 Flux를 이용하여 인체에 유해한 $H_2S$나 $CS_2$ 기체를 사용할 뿐만 아니라 높은 합성온도, 긴 반응시간 및 공정이 복잡한 단점을 지니고 있다. 따라서 본 실험은 황화물계 원료인 SrS, $Ga_2S_3$ 그리고 EuS를 출발 물질로 하여 $H_2S$ 기체를 사용하지 않고 혼합 기체$(5% H_2/95% N_2)$를 사용해 환원 분위기 하에서 $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$을 합성하였다. 그리고 다양한 합성 조건과 LED용으로 사용되기 위해 수세처리와 Sieving 과정을 거친 형광체의 발광특성을 검토하였다.
The $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ green emitting phosphor has been studied as a luminous device for CRT (Cathode Ray Tube) or FED (Field Emission Display) and EL (Electroluminescence). This phosphor, also, is under noticed for LED (Lighting Emitting Diode) phosphor, which makes use of excitation ch...
The $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ green emitting phosphor has been studied as a luminous device for CRT (Cathode Ray Tube) or FED (Field Emission Display) and EL (Electroluminescence). This phosphor, also, is under noticed for LED (Lighting Emitting Diode) phosphor, which makes use of excitation characteristics of long wavelength region. The $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ phosphor was prepared generally conventional synthesis method using flux. However, this method needs high heat-treated temperature, long reaction time, complex process and harmful $H_2S$or $CS_2$ gas. In this works, therefore, we have synthesized $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ using SrS, $Ga_2S_3$, and EuS as starting materials, and the mixture gas of 5% H2/95% N2 was used to avoid the $H_2S$or $CS_2$. We investigated the luminescence characteristic of $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ phosphor prepared in various synthesis conditions, performed post-treatment and sieving process for application to LED.
The $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ green emitting phosphor has been studied as a luminous device for CRT (Cathode Ray Tube) or FED (Field Emission Display) and EL (Electroluminescence). This phosphor, also, is under noticed for LED (Lighting Emitting Diode) phosphor, which makes use of excitation characteristics of long wavelength region. The $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ phosphor was prepared generally conventional synthesis method using flux. However, this method needs high heat-treated temperature, long reaction time, complex process and harmful $H_2S$or $CS_2$ gas. In this works, therefore, we have synthesized $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ using SrS, $Ga_2S_3$, and EuS as starting materials, and the mixture gas of 5% H2/95% N2 was used to avoid the $H_2S$or $CS_2$. We investigated the luminescence characteristic of $SrGa_2S_4:Eu^{2+}$ phosphor prepared in various synthesis conditions, performed post-treatment and sieving process for application to LED.
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문제 정의
따라서 본 연구는 SrG^&t:Eu+ 형광체를 합성하는데 복잡한 공정을 거치지 않고 유해한 HS 기체를 사용흐卜 지 않으며 또한 발광효율도 높은 형광체를 만드는데 있 다. 300~480nm사이에서 높은 흡수 밴드를 가지는 SrGaSuEu方 형광체를 합성하여 백색 LED 제작에 필 요한 높은 휘도의 녹색 형광체를 만드는데 그 목적이 있다.
본 실험은 독성물질이며, 다루기 힘들고 환경적으로 유해한 HS, CS 기체를 사용하지 않아 쉽게 합성할 수 있으며, 발광효율이 높은 LED용 형광체를 제조하는데 목적을 두었다. 황화물계의 출발물질로부터 과량의 황 을 첨가하여 SrGaS:EU+ 형광체를 합성하였다
제안 방법
SrGaS:Eu의 결정성을 확인하기 위해서 Rikaku 사 의 DMAX-33 X선 회절 분석기 (X-ray Diffactormeter) 로 측정하였으며, 형광체의 발광특성은 광 발광(Photoluminescence) 및 여기 스펙트럼을 제논 방전램 프 (Xenon flash lamp)를 내장한 Perkin Elmer LS-50B 분광기를 사용하여 측정하였다. 또한 Microtrac S-3000 으로 입자 크기 분포를 확인하였고 JEOL 사의 JSM6360 SEM (Scanning Electron Microscopy)으로 입자 크기 및 모양을 관찰하였다.
고상 반응으로 SrG^S：Eu 녹색 형광체의 열처리 온 도를 변화시켜 합성하였다. 온도는 850C〜1050C까지 50C씩 승온 시키면서 합성을 하였다.
SrGaS:Eu의 결정성을 확인하기 위해서 Rikaku 사 의 DMAX-33 X선 회절 분석기 (X-ray Diffactormeter) 로 측정하였으며, 형광체의 발광특성은 광 발광(Photoluminescence) 및 여기 스펙트럼을 제논 방전램 프 (Xenon flash lamp)를 내장한 Perkin Elmer LS-50B 분광기를 사용하여 측정하였다. 또한 Microtrac S-3000 으로 입자 크기 분포를 확인하였고 JEOL 사의 JSM6360 SEM (Scanning Electron Microscopy)으로 입자 크기 및 모양을 관찰하였다.
따라서 황이 과량 첨가 됨으 로 조성이 균형을 이루고 과량의 황은 휘발 되면서 5% 혼합가스 중 수소가스에 의해 알루미나 도가니 내부에 HS 가스 분위기를 형성하여 상이 안정하게 생성될 수 있게 도와준다. 또한 과량의 황은 합성온도를 낮춤과 동 시에 결합이 쉽게 형성할 수 있도록 가교역할을 한다. 과량 첨가된 황의 양이 많아짐에 따라 발광 효율은 증 가하였고 400%에서 가장 좋은 발광 효율을 나타내었 다.
1과 같다. 시료가 일정의 조성이 되도록 정량한 다 음, 마노유발에서 보다 효과적인 혼합 및 분쇄를 위해 아세톤을 사용하여 1시간 동안 혼합하였다. 그리고 혼 합 시 잔류하고 있는 물과 아세톤을 제거하기 위해 100 °C에서 1시간 동안 건조 시켰다.
건조 후 황을 첨가하 여 다시 한번 마노유발에서 20분간 섞어주었다. 이렇게 혼합되어진 전구체는 Eu方 이온이 3가 상태로 변하는 것을 막기 위해 시료를 5% H/ 95% N 분위기 하에 관형 노 (tube furnace)에서 최적의 합성 조건을 찾고자 소성 온도, 가스의 유량, 과량 첨가된 황의 양, Eu 농도 등을 변화 시켰다.
대상 데이터
SrGaS:Eu方 녹색 형광체를 얻기 위해 출발물질로 Alfa 사의 SrS (99.9%), Ga^ (99.99%)와 고순도 사의 EuS (99.9%)을 사용하여 일반적인 고상 반응에 의하여 합성하였다. 본 실험에서 합성하고자 하는 형광체의 정 확한 구조식의 표현은 Sr患Ga&Eu이다.
성능/효과
SrS, GaS, EuS 등의 황화물계 물질들로부터 고상 반응으로 SrGaS:Eu 녹색 발광 형광체를 합성한 결과, 열처리 조건이 950C에서 3시간 열처리하였을 때, 활 성제인 E『의 농도가 0.050 mole, 과량 첨가된 황의 양이 400%일 때, 그리고 5% H/ 95% N 혼합가스를 100cc/min의 환원 분위기로 처리했을 때 가장 높은 발 광세기를 나타내었다. 본 연구의 장점은 합성과정이 비 교적 간단하고 HS나 C2S 가스를 사용하지 않아 합성 시 다루기 쉬우며 위험하지 않다는 것이다.
또한 과량의 황은 합성온도를 낮춤과 동 시에 결합이 쉽게 형성할 수 있도록 가교역할을 한다. 과량 첨가된 황의 양이 많아짐에 따라 발광 효율은 증 가하였고 400%에서 가장 좋은 발광 효율을 나타내었 다. Fig.
따라서 본 연구는 SrG^&t:Eu+ 형광체를 합성하는데 복잡한 공정을 거치지 않고 유해한 HS 기체를 사용흐卜 지 않으며 또한 발광효율도 높은 형광체를 만드는데 있 다. 300~480nm사이에서 높은 흡수 밴드를 가지는 SrGaSuEu方 형광체를 합성하여 백색 LED 제작에 필 요한 높은 휘도의 녹색 형광체를 만드는데 그 목적이 있다.
465 nm 여기 파장 하에서 측정한 결과 상용 형광체 보 다 150% 정도의 높은 효율을 나타내었다. 따라서 본 연구의 합성은 서론에서 언급한 것과 같이 H2S나 CS2 같은 유해한 가스를 사용하지 않고 사용하기 쉬운 5% H/ 95% N의 혼합 가스를 사용해 합성을 하였고, 발 광효율도 상용 형광체 비해 월등히 높게 나타나는 특징 을 가진다. 현재 SrGa2S4：EU+ 녹색 발광 형광체는 HS 가스 사용과 복잡한 공정 때문에 합성할 수 있는 곳이 세계에서 몇 군데 밖에 안되었다.
형광체의 휘도도 떨어지지 않고 LED 공정상 문제가 되지 않는 범위는 20 卩m 이 하이다. 따라서 본 형광체는 10 pm 내외이기에 형광체 의 휘도도 많이 떨어지지 않고 LED 제작에도 알맞은 크기라 할 수 있다.
0%〜500% 까지의 모두 SrGaS4 (25-0895) 단일상으로 나타났고 패턴의 변화도 거의 찾 아볼 수가 없다. 따라서, 황이 과량 첨가됨에 따라 휘도 가 증가하는 원인을 정확히 규명하지 못하였으나 XRD 피크상의 SrGa2S4의 결정화도가 높을수록 높은 발광효 율을 나타낸다는 것은 확인할 수가 있었다. 또한 EuG^S(25-0333) 패턴과 그에 따른 면 배향이 가까워 질수록 높은 휘도를 보인다는 것도 확인하였다.
따라서, 황이 과량 첨가됨에 따라 휘도 가 증가하는 원인을 정확히 규명하지 못하였으나 XRD 피크상의 SrGa2S4의 결정화도가 높을수록 높은 발광효 율을 나타낸다는 것은 확인할 수가 있었다. 또한 EuG^S(25-0333) 패턴과 그에 따른 면 배향이 가까워 질수록 높은 휘도를 보인다는 것도 확인하였다. 즉 (642)면의 배향은 커지고, (444)면의 배향은 감소될수록 높 은 발광효율을 보인다.
또한 상용 형광체와 비교에서도 150%의 높은 발광효율을 나타내 는 특징을 지닌다. 이러한 300〜480 nm의 여기 파장 하 에서 높은 발광효율을 지녀 다양한 화합물 반도체 적용 이 가능하며, 2 파장을 이용한 InGaN 칩에 YAG:Ce3+ 을 사용한 백색 LED를 대신하여 실리케이트 계의 황 색 형광체와 SrGa2S4:E『의 적절한 혼합으로 백색을 구현할 수 있으며 , UV LED 칩에 도포하여 백색을 구 현할 수 있는 적색, 녹색, 청색 형광체 중에서 녹색 형 광체로 응용이 가능함을 확인하였다.
후속연구
이렇게 제작된 형광체는 일본 특허를 가진 YAG:Ce3+ 을 이용한 2 파장 램프로 백색을 구현하는 것을 대체하 여 순수 국내특허와 기술을 이용한 실리케이트 계의 주황색 형광체와 SrGaS：EU+ 녹색 형광체로 LED를 제 작하여 수입에 의존한 YAG:Ce+을 대체할 수 있을 것 으로 기대된다.
그러나 아직 SrGa2S4:E『는 해결해야 할 많은 문제점이 있다. 황을 과량 사용하지 않고 합성하는 방법과 다양한 Flux 의 첨가, 그리고 다른 전이금속의 첨가로 다양한 모체 변화에 따른 525 nm에서의 중심 파장을 이동에 대한 연구가 선행되어져야 할 것으로 생각된다.
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