[논문]국산 천연알카리 장석의 결정구조와 Photoluminescence

최진호; 천채일; 김정석

doi:10.4191/kcers.2007.44.5.155

국산 천연알카리 장석의 결정구조와 Photoluminescence
Crystal Structure and Photoluminescence of Domestic Natural Alkaline Feldspar 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.44 no.5 = no.300, 2007년, pp.155 - 159

최진호 (호서대학교 신소재공학과) , 천채일 (호서대학교 신소재공학과) , 김정석 (호서대학교 디스플레이공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Blue light-emitting phosphors having the excitation spectrum range of the medium-long ultraviolet ($280nm{\sim}400nm$) have been prepared by solid state reaction method. As a starting material the natural alkaline feldspar powder produced from the domestic mine field in Buyeo, Chungnam-do. The photoluminescence characteristics and crystal structures have been analyzed for the phosphor samples. The powder mixture of the natural alkaline feldspar and the rare-earth oxide was calcined at $800{\sim}1000^{\circ}C\;for\;3{\sim}4h$ in air. The calcined samples we fully ground at room temperature and then heat-treated in the mild reducing gas atmosphere of $5%H_2-95%N_2$ mixture at $1100{\sim}1150^{\circ}C\;for\;3{\sim}4h$. The natural alkaline feldspar material consists of the monoclinic orthoclase ($KAlSi_3O_8$) and the triclinic albite ($NaAlSi_3O_8$) phases. At the $0.5wt%Eu_2O_3$ addition the PL spectrum showed the maximum intensity and with further increase of $Eu_2O_3$ the PL intensity decreased. The albite phase disappeared in the $Eu_2O_3$ doped phosphors. The effect of the co-doped activator on the PL characteristics have been also discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 활성제로의 에너지 전환효율을 높여주거나 반대로 부활성제로 에너지를 전이시켜 활성제와는 다른 파장의 발광을 나타내게 하는 목적이다. Matsuzawa 등은14) 3+원자가를 가지는 희토류 원소들 가운데 ce七 Pr3+, Tb3+, Nd3+, Dy’+ 등은 낮은 4f5d 전이 에너지(transition energy)와 비교적 높은 전하이동 에너지(charge transfer energy)를 가지고 있기 때문에 효과적인 정공트랩 기능을 할 수 있는 coactivatoi로 사용 가능하다고 하였다.
11, 12)국산 천연 알카리 장석(包(母渤 group)은 알카리 실리케이트의 일종으로서 형광체 모재로서의 충분한 가능성을 가지고 있다. 본 연구에서는 국내 천연 장석을 이용하여 형광체를 제조하고 그 특성을 평가하여, 형광체 기지상 (matrix phase)으로서의 적용 가능성을 연구하였다.
한편, Vergeer 등은'' Pi과 함께 희토류 원소들을 coactivatoi로 사용함으로써 에너지 천이 효과와 발광효율을 연구하였다. 본 연구에서는 천연형광체에서 +를 활성제로 사용하고 다른 희토류 원소들을 부활성제로 사용하여 발광효율및 발광파장의 변환 가능성을 조사하였다.
'3)ElJ+도핑원소는 원자 이온반경이나 전하 등을 고려할 때 K* 및 Na+ 이온 자리에 치환될 가능성이 크다. 본 연구에서는 활성제 Ei产가 결정 구조 내 어느 자리에 차지하는지를 알아보고, 또한 상기에서 논의된 결정상 분석결과가 맞는지 확인하고자 rietveld 정밀화를 수행하였다.
Eu 형광체에서 Pr”와 Eua사.이의 에너지 전이 및 발광효율에 관한 연구를 수행하였다.

제안 방법

0.5 wt%Eu2C)3를 도핑 한 형 광체 시료의 결정 상에 대해 rietveld 정밀화 분석을 수행하였다. Fig.
형광체 시료는- 0.5 \机%卽2。3와 천연 알칼리 장석 혼합물을 1000℃에서 4시간동안 대기 중에서 열처리한 후 1150℃ 에서 3시간 동안 H₂/N₂=5/95 환원 분위기에서 열처리하였다. 두 XRD 패턴을 비교해 보면, 형광체에서는 albite상 (NaAlSi308:▼표시)이 소멸하였고, orthoclase상(KAI%。/ ★표시)과 일부 불순물 상이 존재함을 볼 수 있다.
열처리 후 분쇄하여 얻어진 형광체의 발광특성bL) 은 Photoluminescence Spectrometer Perkin Elmer LS55 를 이용하여 측정하였다. XRD 실험은 XTert ProMRD (X-ray Dif&actiometer, Philips)를 이용하였고, 결정상 분석과 rietveld 정밀화 분석하였다. Rietveld 정밀화는 Rietan-2000 프로그램을 이용하였다.
8%, Aldrich) 에 녹여 수용액으로 만든 후 micropipette를 사용하여 첨가하였다. 열처리 후 분쇄하여 얻어진 형광체의 발광특성bL) 은 Photoluminescence Spectrometer Perkin Elmer LS55 를 이용하여 측정하였다. XRD 실험은 XTert ProMRD (X-ray Dif&actiometer, Philips)를 이용하였고, 결정상 분석과 rietveld 정밀화 분석하였다.
형광체의 모상원료는 국내(충남 부여 광산)의 천연 장석을 사용하였고, 이에 대한 조성 및 상분석은 실험결과에 나타내었다. 천연장석원료 분말에 활성제(activator) 원료분말(EuQ3, Dy2O₃, Sm2O₃, TmCl3.xH₂O, LuQj을 일정 량 (0.1 wt%~25 wt%) 첨가한 후 agate mortar를 이용하여 알콜을 첨가하면서 혼합하였다. 알칼리장석과 활성제 (activator)를 혼합한 후 공기 중에서 800~ 1000℃에서 3~4 시간 열처리 한 후 이를 다시 분쇄하여 1100~1150℃에서 3~4시간 동안 H₂/N₂=5/95 환원분위기에서 처리하였다.
Rietveld 정밀화는 Rietan-2000 프로그램을 이용하였다. 천연장석의 화학조성은 EDX를 이용하여 분석하였다.

대상 데이터

알칼리장석과 활성제 (activator)를 혼합한 후 공기 중에서 800~ 1000℃에서 3~4 시간 열처리 한 후 이를 다시 분쇄하여 1100~1150℃에서 3~4시간 동안 H₂/N₂=5/95 환원분위기에서 처리하였다. TmCl3, xH₂O 시료는 2-methoxyethanol(99.8%, Aldrich) 에 녹여 수용액으로 만든 후 micropipette를 사용하여 첨가하였다. 열처리 후 분쇄하여 얻어진 형광체의 발광특성bL) 은 Photoluminescence Spectrometer Perkin Elmer LS55 를 이용하여 측정하였다.
국내 천연알카리장석을 모체로 하여 중장파장 자외선 영역 (220~400nm)에서 여기 되는 청색 형광체를 제조하였다. Eu2O₃ 첨 가량이 0.
EuQ3와 다른 희토류 산화물을 co-doping 한 시료들의 발광강도는 E112O₃만 단독으로 첨가한 경우보다 낮았다. 천연알카리 장석의 결정상은 monoclinic orthoclase인 KAlSi308상과 triclinic albite인 NaAlSiaO®상으로 분석되었다. Em。?를 0.
형광체의 모상원료는 국내(충남 부여 광산)의 천연 장석을 사용하였고, 이에 대한 조성 및 상분석은 실험결과에 나타내었다. 천연장석원료 분말에 활성제(activator) 원료분말(EuQ3, Dy2O₃, Sm2O₃, TmCl3.

이론/모형

XRD 실험은 XTert ProMRD (X-ray Dif&actiometer, Philips)를 이용하였고, 결정상 분석과 rietveld 정밀화 분석하였다. Rietveld 정밀화는 Rietan-2000 프로그램을 이용하였다. 천연장석의 화학조성은 EDX를 이용하여 분석하였다.
형광체 시료들은 통상적인 고상반응법에 의해 제조하였다. 형광체의 모상원료는 국내(충남 부여 광산)의 천연 장석을 사용하였고, 이에 대한 조성 및 상분석은 실험결과에 나타내었다.

성능/효과

4면체 내의 Si 이온 자리 중 20-40%가 A1 이 차지함에 따라 발생하는 전하 불균형을 보상하기 위해 K* 및 Na+ 이온이 망목 구조 사이의 빈공간(large oval-shaped cavities)에 채워지 는 구조를 가지고 있다.'3)ElJ+도핑원소는 원자 이온반경이나 전하 등을 고려할 때 K* 및 Na+ 이온 자리에 치환될 가능성이 크다. 본 연구에서는 활성제 Ei产가 결정 구조 내 어느 자리에 차지하는지를 알아보고, 또한 상기에서 논의된 결정상 분석결과가 맞는지 확인하고자 rietveld 정밀화를 수행하였다.
1차 가소 온도가 800℃인 시료 (Fig. 4)와 1000℃인 시료(Fig. 5)의 PL 특성은, 스펙트럼상의 최대강도를 단순 비교하면, 흡수 및 발광 강도가 후자의 경우에 15%정도 증가하였다. 천연알칼리 장석 형광체의 청색발광(405~414nm) 은 Ei产이온의 4f7-4f65d1 천이인 것으로 판단된다.
모든 조성에서 발광스펙트럼의 '파장 범위는 360~550nml까지 였고, 최대발광피크 파장은 405~414nm인 청색 발광이 관찰되었다. PL스펙트럼의 모양과 강도는 EU2O₃조성에 따라 다소 차이가 있으나, £仍。3의 농도가 0.5wt%(B)로 증가할 때 최대강도를 나타내고, 0.5 wt% 이상에서는 강도가 감소하는 concentration quenching현상을 나타냈다.
Eu와 Ce만이 발광특성을 나타내었고, 나머지 모든 희토류 원소들은 발광특성을 나타내지 않았다. Ce 첨가 시료의 발광특성은 Eu만을 단독으로 첨가한 시료보다 발광강도가 현저히 낮았다. Eu와 다른 희토류 원소를 co-doping한 시료(Fig.
Eu2O₃ 첨 가량이 0.5 wt%일 때 가장 발광강도가 높게 나타났고, 그 이상의 첨가량에서는 발광강도가 감소하는 concentration quenching 현상이 나타났다. 제조된 형광체들의 발광스펙트럼의 파장 범위는 360~500nm였고, 최대 발광 피크는 405~414nm였다.
5wt%이상 doping한 알칼리장석 형광체에서는 albite상이 소멸하였고, orthoclase 상과 일부 불순물 상이 존재하였다. Rietveld 정밀화를 통하여 0.5 wt% 도핑 된 형광체의 주 결정 상은 orthoclase상인 것을 확인하였다.
co-doped 시료들의 발광스펙트럼에서 피크 파장은 405nm에서 410 nm로 소폭 이동하였다. 모든 codoped 시료에서 홉수 및 발광강도는, 단순히 피크 강도만을 비교하였을 때, 15%~25%정도 감소 하였다.
1 wt%= EU203 = 25 wt%)의 흡수 및 발광 스펙 트럼 이다. 모든 조성에서 발광스펙트럼의 '파장 범위는 360~550nml까지 였고, 최대발광피크 파장은 405~414nm인 청색 발광이 관찰되었다. PL스펙트럼의 모양과 강도는 EU2O₃조성에 따라 다소 차이가 있으나, £仍。3의 농도가 0.
흡수 스펙트럼은 모든 조성에서 220nm~400nm의 넓은 파장 범위에서 나타났으며, EU2O₃의 농도가 증가함에따라 주 피크는 파장이 비교적 짧은 UV-C영역(~260nm) 에서 파장이 큰 UVA영역(~330nm)으로 이동하였다. 예로, 0.

참고문헌 (16)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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