LED는 고휘도 청색 칩의 개발로 인해 단순표시소자로만 이용되던 것이 다양한 분야의 발광소자로 적용되기 시작하였다. 특히, 최근에 InGaN 칩과 황색 형광체(YAG:Ce3+)를 이용한 방법이 많이 연구되어지고 있다. 하지만 이 방법은 2 파장을 이용한 것으로 색연지수가 낮은 단점을 지니며, 황색의 YAG:Ce3+ 형광체 이외에 450~470 nm의 여기 영역에서 효율적으로 발광하는 형광체가 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 장파장 영역의 여기 특징을 지닌 thiogallate 형광체의 합성을 시도하였다. 그 중에 가장 잘 알려진 SrGa2S4:Eu2+ 형광체의 모체를 변화시켜 Sr2Ga2S5:Eu2+ 형광체를 합성하였으며, 발광특성을 조사하였다. 그리고 무해성과 제조 공정의 단순화를 위하여, 황화물질과 5 % H2/95 % N2 혼합 기체를 CS2와 H2S 가스 대신에 사용하였다. 이렇게 합성되어진 형광체는 550 nm의 발광 중심을 가지는 황색 형광체로서 300~500 nm에 이르는 넓은 여기원을 통한 발광이 가능하다. 그리고 YAG:Ce3+ 형광체와 비교해 볼 때 강도 면에서 110 % 이상을 보이며, UV 영역의 여기적 특성을 이용해 UV LED에도 응용이 가능하다.
LED는 고휘도 청색 칩의 개발로 인해 단순표시소자로만 이용되던 것이 다양한 분야의 발광소자로 적용되기 시작하였다. 특히, 최근에 InGaN 칩과 황색 형광체(YAG:Ce3+)를 이용한 방법이 많이 연구되어지고 있다. 하지만 이 방법은 2 파장을 이용한 것으로 색연지수가 낮은 단점을 지니며, 황색의 YAG:Ce3+ 형광체 이외에 450~470 nm의 여기 영역에서 효율적으로 발광하는 형광체가 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 장파장 영역의 여기 특징을 지닌 thiogallate 형광체의 합성을 시도하였다. 그 중에 가장 잘 알려진 SrGa2S4:Eu2+ 형광체의 모체를 변화시켜 Sr2Ga2S5:Eu2+ 형광체를 합성하였으며, 발광특성을 조사하였다. 그리고 무해성과 제조 공정의 단순화를 위하여, 황화물질과 5 % H2/95 % N2 혼합 기체를 CS2와 H2S 가스 대신에 사용하였다. 이렇게 합성되어진 형광체는 550 nm의 발광 중심을 가지는 황색 형광체로서 300~500 nm에 이르는 넓은 여기원을 통한 발광이 가능하다. 그리고 YAG:Ce3+ 형광체와 비교해 볼 때 강도 면에서 110 % 이상을 보이며, UV 영역의 여기적 특성을 이용해 UV LED에도 응용이 가능하다.
Nowadays, LEDs has been applied to the luminescent devices of various fields because of the invention of high efficient blue chip. Recently, especially, the white LEDs composed of InGaN blue chips and a yellow phosphor (YAG:Ce3+) have been investigated extensively. With the exception of YAG:Ce3+ pho...
Nowadays, LEDs has been applied to the luminescent devices of various fields because of the invention of high efficient blue chip. Recently, especially, the white LEDs composed of InGaN blue chips and a yellow phosphor (YAG:Ce3+) have been investigated extensively. With the exception of YAG:Ce3+ phosphor, however, there are no reports on yellow phosphor that has significant emission in the 450~470 nm excitation range and this LED system is the rather low color rendering index due to their using two wavelength. Hence, we have attempted to synthesize thiogallate phosphors that efficiently under the long wavelength excitation range in the present case. Among those phosphors, we have synthesized Sr2Ga2S5:Eu2+ phosphor by change the host material of SrGa2S4:Eu2+ which is well known phosphor and we investigated the luminescent properties. In order to obtain the harmlessness and simplification of the synthesis process, sulfide materials and mixture gas of 5 % H2/95 % N2 were used instead of the CS2 or H2S gas. The prepared phosphor shows the yellow color peaking at the 550 nm wavelength and it possible to emit efficiently under the broad excitation band in the range of 300~500 nm. And this phosphor shows high luminescent intensity more than 110 % in comparison with commercial YAG:Ce3+ phosphor and it can be applied for UV LED due to excitation property in UV region.
Nowadays, LEDs has been applied to the luminescent devices of various fields because of the invention of high efficient blue chip. Recently, especially, the white LEDs composed of InGaN blue chips and a yellow phosphor (YAG:Ce3+) have been investigated extensively. With the exception of YAG:Ce3+ phosphor, however, there are no reports on yellow phosphor that has significant emission in the 450~470 nm excitation range and this LED system is the rather low color rendering index due to their using two wavelength. Hence, we have attempted to synthesize thiogallate phosphors that efficiently under the long wavelength excitation range in the present case. Among those phosphors, we have synthesized Sr2Ga2S5:Eu2+ phosphor by change the host material of SrGa2S4:Eu2+ which is well known phosphor and we investigated the luminescent properties. In order to obtain the harmlessness and simplification of the synthesis process, sulfide materials and mixture gas of 5 % H2/95 % N2 were used instead of the CS2 or H2S gas. The prepared phosphor shows the yellow color peaking at the 550 nm wavelength and it possible to emit efficiently under the broad excitation band in the range of 300~500 nm. And this phosphor shows high luminescent intensity more than 110 % in comparison with commercial YAG:Ce3+ phosphor and it can be applied for UV LED due to excitation property in UV region.
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문제 정의
4 특히 YAG:Ce3+형광체는 일본의 기술선점으로 개발의 제약과 로열티 문제가 있으므로 새로운 형광체의 개발이 요구되어 진다. 따라서 이를 대체할 형광체로 장파장 영역에서 여기적 특징을 지닌 thiogallate 형광체를 선택하여 그 발광특성을 조사하고자 한다.
이에 따라, 본 연구는 SrGa2S4의 모체의 조성을 변화시켜 Sr2Ga2S5의 형광체를 합성하였으며 발광특성 및 그 응용 가능성을 살펴보고자 한다.
제안 방법
Sr2Ga2S5:Eu2+ 형광체를 얻기 위해 출발물질로 황화물계 물질(SrS, Ga2S3, EuS)을 이용하여 고상반응으로 합성하였으며, Fig. 1과 같다. 고안된 합성방법은 전형적인 고상반응으로 이루어 졌으며, 혼합 시 마노유발(mortar)에 아세톤을 첨가하여 건식 볼밀(ball-mill)과 습식 볼밀의 중간적 형태를 취하였다.
1과 같다. 고안된 합성방법은 전형적인 고상반응으로 이루어 졌으며, 혼합 시 마노유발(mortar)에 아세톤을 첨가하여 건식 볼밀(ball-mill)과 습식 볼밀의 중간적 형태를 취하였다. 이는 각 볼밀간의 장점을 모아 빠른 시간 동안 고른 혼합을 할 수 있다는 점이다.
따라서 제조된 형광체의 입자의 결정상과 결정화도를 조사하기 위하여 Rigaku 사의 DMAX-33 X-선 회절분석기를 사용하였으며, Cu-Ka Ni 필터, 40 kV 40 mA하에 측정되었다. 그리고 입자 특성인 크기, 분포 및 형태를 관찰하기 위하여 JEOL 사의 JSM-6360 주사전자현미경 (SEM)으로 가속전압 20kV 하에서 관찰하였다.
11 하지만 이들 방법들은 유해한 독성의 가스를 이용하며, 높은 열처리 온도와 복잡한 공정을 거쳐 합성되는 단점을 지닌다. 따라서 본 연구에서는 이런 유해한 가스를 사용하지 않고 황화물과 5% H2/95% N2의 혼합가스를 사용하여 관(tube) 내부에 환원 분위기를 조성하여 손쉽게 합성하였다.
또한 입자의 결정은 형광체 휘도를 결정하는 중요한 요인이다. 따라서 제조된 형광체의 입자의 결정상과 결정화도를 조사하기 위하여 Rigaku 사의 DMAX-33 X-선 회절분석기를 사용하였으며, Cu-Ka Ni 필터, 40 kV 40 mA하에 측정되었다. 그리고 입자 특성인 크기, 분포 및 형태를 관찰하기 위하여 JEOL 사의 JSM-6360 주사전자현미경 (SEM)으로 가속전압 20kV 하에서 관찰하였다.
유로피윰이 도핑된 Sr2Ga2S5 형광체를 고상법을 이용해 합성을 하였으며 유해한 H2S와 CS2 가스를 사용하지 않고 황화물계 물질과 5% H2/98% N2 기체를 통해 합성하였다. 이렇게 합성된 Sr2Ga2S5:Eu2+ 형광체에 대해 우리는 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.
이렇게 합성되어진 형광체는 광 발광특성을 조사하기 위 해 xenon 플래시 램프를 내장한 Perkin Elmer사의 LS50B spectrometer를 사용하여 photoluminescence(PL)을 측정하였다. 또한 입자의 결정은 형광체 휘도를 결정하는 중요한 요인이다.
그리고 혼합 시 잔류하고 있는 아세톤과 수분을 제거하기 위해 80℃에서 1시간 동안 건조시켰다. 이렇게 혼합되어진 전구체는 Eu2+이온이 3가 이온 상태로 변하는 것을 막기 위해 시료를 5% H2/95 % N2 분위기 하에서 관형로에서 최적의 합성 조건을 찾고자 소성온도, Eu2+ 이온농도, 가스의 유량 등을 변화시켰다.
황화물계 물질을 화학양론적으로 계산하여 시료가 일정의 조성이 되도록 칭량한 다음, 마노유발에서 보다 효과적인 혼합 및 분쇄를 위해 아세톤을 사용하여 40분 동안 혼합하였다. 그리고 혼합 시 잔류하고 있는 아세톤과 수분을 제거하기 위해 80℃에서 1시간 동안 건조시켰다.
성능/효과
1. Sr2Ga2S5:Eu2+ 형광체는 925℃에서 3시간 소성하였을 때, 0.05 mole의 유로피윰 활성제가 도핑 되었을 때, 그리고 100 cc/min의 혼합가스로 합성하였을 때 가장 우수한 발광세기를 보인다.
2. 합성된 Sr2Ga2S5:Eu2+ 형광체는 크기가 20 μm이하이며, 균일하여 특별한 공정 없이 LED에 이용되어질 수 있다.
3. 합성된 Sr2Ga2S5:Eu2+ 형광체는 550 nm의 중심파장을 지녀 #의 형광체를 대신하여 사용되어질 수 있으며, 400 nm 부근에서도 높은 발광효율을 보여 UV LED에 응용도 가능함을 확인할 수 있었다.
4의 소성온도에 따른 PL 발광 특성을 통해서도 SrGa2S4 상의 확인이 가능하다. 900 ℃ 로 소성 시 JCPDS (Joint Committee on Powder Diflraction Standards) 카드의 Sr2Ga2S5(#47-1130)과 피크가 일치하는 결과를 보였다. 1000℃에서 소성하였을 경우에는 900℃ 보다 더 높은 결정성과 패턴의 일치성을 보였다.
후속연구
이렇게 합성되어진 Sr2Ga2S5:Eu2+ 형광체는 550 nm의 발광중심 밴드를 지니고, 장파장에서 높은 여기적 성질을 나타내 LED용 황색 형광체로 이용이 가능할 것이다. 즉, 현재 주로 이용되고 있는 InGaN 칩과 YAG:Ce3+을 이용한 2파장 램프에서 YAG:Ce3- 형광체를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 400 nm 영역에서 높은 발광효율을 지녀 UV LED에도 적용될 수 있을 것이다.
형광체는 550 nm의 발광중심 밴드를 지니고, 장파장에서 높은 여기적 성질을 나타내 LED용 황색 형광체로 이용이 가능할 것이다. 즉, 현재 주로 이용되고 있는 InGaN 칩과 YAG:Ce3+을 이용한 2파장 램프에서 YAG:Ce3- 형광체를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 400 nm 영역에서 높은 발광효율을 지녀 UV LED에도 적용될 수 있을 것이다.
참고문헌 (17)
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