[논문]SrAl2O4계 축광재료의 습식공정에 의한 나노분말 합성 및 발광특성

김정식

doi:10.4191/kcers.2008.45.8.477

SrAl2O4계 축광재료의 습식공정에 의한 나노분말 합성 및 발광특성
Synthesis of the Nano-sized SrAl2O4 Phosphors by Wet Processing and its Photoluminescence Properties 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.45 no.8 = no.315, 2008년, pp.477 - 481

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$Eu^{2+}$ and $Dy^{3+}$ co-doped strontium aluminate, $SrAl_2O_4$ long phosphorescent phoshor was fabricated and its photoluminescence was characterized. The phosphor, $SrAl_2O_4:Eu^{2+},Dy^{3+}$ was synthesized by a coprecipitation in which metal salts of $Sr(NO_3)_2$, $Al(NO_3)_3{\cdot}9H_2O$, were dissolved in $(NH_4)_2CO_3$ solution with adding $Eu(NO_3)_3{\cdot}5H_2O$ and $Dy(NO_3)_3{\cdot}5H_2O$ as a activator and co-activator, respectively. The coprecipitated products were separated from solution, washed, and dried in a vacuum dry oven. The dried powders were then mixed with 3 wt% $B_2O_3$ as a flux and heated at $800{\sim}1400^{\circ}C$ for 3 h under the reducing ambient atmosphere of 95%Ar+$5%H_2$ gases. For the synthesized $SrAl_2O_4:Eu^{2+},Dy^{3+}$, properties of photoluminescence such as emission, excitation and decay time were examined. The emission intensity increased as the annealing temperature increased and showed a maximum peak intensity at 510 nm with a broad band from $400{\sim}650\;nm$. Monitored at 520 nm, the excitation spectrum showed a maximum peak intensity at $315{\sim}320\;nm$ wavelength with a broad band from $200{\sim}500\;nm$ wavelength. The decay time of $SrAl_2O_4:Eu^{2+},Dy^{3+}$ increased as the annealing temperature increased.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

04, target=CuK_a, filter=Ni, power=40 kV-40 mA이었다. 그리고 전계방출주사전자현미경(FE-SEM, Hitach S-1400)을 이용하여 분말시료의 형상 및 분포상태를 관찰하였다. 시료의 여기 및 발광스펙트럼은 형광분광광도계(F-4500 Photoluminescence Spectrometer, Hitach)를 사용하여 조사하였다.
본 연구에서는 잔광특성이 뛰어난 스트론튬알루미네이트(SrAl₂O₄)계 축광성 나노분말을 공침법으로 합성하였다. 이 때, 부활제와 공부활제로서 Eu와 Dy를 각각 첨가하고 융제로서 B₂O₃를 첨가하였다.
본 연구에서는 적정 몰비의 Sr(NO3)2, Al(NO3)3·9H2O, Eu(NO3)3·5H2O, Dy(NO3)3·5H2O를 용해시킨 용액을 (NH4)2CO3 수용액으로 공침반응시킴으로서 축광체 SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ 나노 분말을 합성하였다.
이 때, 부활제와 공부활제로서 Eu와 Dy를 각각 첨가하고 융제로서 B₂O₃를 첨가하였다. 소성과정에서 Eu(III)가 Eu(II)로 환원되도록 95%Ar+5H₂의 환원분위기에서 열처리하여 발광특성을 나타내도록 하였으며, 제조된 나노분말의 축광체에 대해서 열처리온도의 영향에 대한 여기 및 발광특성, 장잔광 특성을 고찰하였다.
그리고 전계방출주사전자현미경(FE-SEM, Hitach S-1400)을 이용하여 분말시료의 형상 및 분포상태를 관찰하였다. 시료의 여기 및 발광스펙트럼은 형광분광광도계(F-4500 Photoluminescence Spectrometer, Hitach)를 사용하여 조사하였다. 이때의 발광파장은 120 nm/min의 주사속도로 400 ~ 650 nm까지 주사하여 얻었다.
)계 축광성 나노분말을 공침법으로 합성하였다. 이 때, 부활제와 공부활제로서 Eu와 Dy를 각각 첨가하고 융제로서 B₂O₃를 첨가하였다. 소성과정에서 Eu(III)가 Eu(II)로 환원되도록 95%Ar+5H₂의 환원분위기에서 열처리하여 발광특성을 나타내도록 하였으며, 제조된 나노분말의 축광체에 대해서 열처리온도의 영향에 대한 여기 및 발광특성, 장잔광 특성을 고찰하였다.
한편 여기 스펙트럼의 측정은 120 nm/min의 주사속도로 200 nm에서 500 nm까지 주사하여 얻었고, 이때의 발광파장은 520 nm로 고정하였다. 장잔광은 태양광과 가장 유사한 Xe 램프로 10분 동안 여기시킨 후 측정하였다.
그리고, 건조된 분말에 융제로서 3 wt%의 B₂O₃(Aldrich, USA) 분말을 첨가 혼합하였다. 최종적으로 발광 특성을 나타내도록 하기 위해서 분위기용 전기로를 사용하여 Eu(III), Dy(III)가 Eu(II), Dy(II)로 각각 환원될 수 있는 (95%Ar +5%H₂) 혼합가스를 흘려주고 800 ~ 1400℃ 반응온도로 3시간 동안 열처리하였다. 이때 승온속도는 5℃/min로 일정하게 유지하였다.
합성된 SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ 분말시료의 결정구조를 조사하기 위하여 X-ray diffractometer (XRD, Bruker, D5005)을 이용하였으며, 측정조건은 10°<2θ<80°, scan speed=0.002°/sec, step size=0.04, target=CuKa, filter=Ni, power=40 kV-40 mA이었다.

대상 데이터

출발원료로서 99.9% 이상 고순도 급의 Sr(NO3)2 (고순도화학, Japan), Al(NO3)3·9H2O (Aldrich, USA)와 부활제와 공부활제로서 Eu(NO3)3·5H2O, Dy(NO3)3·5H2O 분말들을 각각 적정 몰비로 칭량하여 증류수에 완전히 용해시킨 후 (NH4)2CO3 수용액으로 침전시켰다.

성능/효과

(1) 합성된 SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺ 축광체 분말입자의 크기는 약 20 ~ 30 nm의 구형의 나노분말 상태이었고, 1000℃ 이상으로 열처리된 후에는 수십 크기까지 클러스터 형태의 큰 분말 덩어리로 성장되었다.
(2) SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺ 축광체 분말의 X-선 회절분석 결과 1000℃ 이하의 열처리온도에서는 SrAl₃O₆와 같은 중간상이 생성되었고, 1100℃ 이상의 열처리온도에서는 SrAl₂O₄ 단일상만 생성되었다.
(3) 합성된 SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺ 축광체 분말은 510 nm를 최대 발광파장으로 하는 400 ~ 650 nm 녹색 파장대의 폭넓은 발광스펙트럼을 보였으며, 또한 발광파장을 520 nm로 고정하여 측정한 여기스펙트럼의 최대 흡수피크는 315 ~ 320 nm 파장대에서 나타났고, 200 ~ 500 nm 파장대의 넓은 범위에서 여기스펙트럼이 나타났다.
(4) SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺ 축광체의 여기강도, 발광강도 및 장잔광 세기는 열처리 온도가 높을수록 높게 나타났고, 본 실험에서 수행된 최대 열처리온도인 1400℃에서 가장 높게 나타났다.
이러한 축광재료는 중국과 일본에서 11세기에 그리고 유럽에서는 16세기에 발견되었다.¹⁾ 축광재료는 고속도로, 철도, 항공, 항만 및 빌딩의 전반부 등에 사용되는 형광페인트(luminous paints)로서 사용되어 질 수 있을 뿐만 아니라 형광분말은 투명한 유약에 첨가하여 각종 세라믹 생산품의 형광 유약으로 사용되어 질 수 있으며 야광문자판, 야광시계 등 다양하게 사용될 수 있다.^2-5) 대표적인 축광성 형광체로 ZnS : Cu가 1920년대부터 연구되었는데, 이 황화물계 축광성 재료는 유해원소를 포함하고 있고, 환경적으로 안정하지 못하기 때문에 사용상에 문제점이 있다.
그림에서와 같이 잔광강도는 시간이 흐름에 따라 감소하는 경향을 보였다. 또한 소결온도가 높을수록 발광세기가 높고 잔광시간이 긴 특성을 나타내었다. 잔광현상이 일어나는 원인은 전자가 4f⁷ 상태에서 4f⁶5d¹ 상태로 여기된 후 바로 4f⁷ 상태로 천이되지 않고 단파장의 여기광에 의하여 4f⁶5d¹ 상태보다 깊은 준위에 존재하는 trap 준위에 여기·포획되고, 이 포획된 전자가 열적에너지에 의하여 다시 trap으로부터 해방되어 평형상태에 도달하기까지 장시간이 소요되기 때문에 발생한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	축광재료는 각 나라에서 언제 발견되었는가?	축광재료는 전등이나 태양광 등의 빛의 자극을 받아 에너지를 흡수한 후, 이를 가시광으로 환원하여 어두운 곳에서 발광하는 성질, 즉 축광성을 가진 재료로서 일반적으로 장잔광성 형광체가 이용되고 있다. 이러한 축광재료는 중국과 일본에서 11세기에 그리고 유럽에서는 16세기에 발견되었다.1) 축광재료는 고속도로, 철도, 항공, 항만 및 빌딩의 전반부 등에 사용되는 형광페인트(luminous paints)로서 사용되어 질 수 있을 뿐만 아니라 형광분말은 투명한 유약에 첨가하여 각종 세라믹 생산품의 형광 유약으로 사용되어 질 수 있으며 야광문자판, 야광시계 등 다양하게 사용될 수 있다.
	축광재료란?	축광재료는 전등이나 태양광 등의 빛의 자극을 받아 에너지를 흡수한 후, 이를 가시광으로 환원하여 어두운 곳에서 발광하는 성질, 즉 축광성을 가진 재료로서 일반적으로 장잔광성 형광체가 이용되고 있다. 이러한 축광재료는 중국과 일본에서 11세기에 그리고 유럽에서는 16세기에 발견되었다.
	Eu2+가 도핑된 알칼리 희토류 알루미네이트, MAl2O4:Eu2+계 축광성 형광체의 장점은?	반면 Eu2+가 도핑된 알칼리 희토류 알루미네이트(Alkaline earth aluminates), MAl2O4:Eu2+ (M = Sr, Ca, Ba)계 축광성 재료는 화학적으로 안정하고 내구성이 우수하며 여기 원으로서 방사성 물질을 함유하고 있지 않아 안전성이 뛰어난 축광체로서 최근 다양한 분야에 널리 이용되고 있다.6,7) 녹색계 축광체인 SrAl2O4:Eu2+,Dy3+의 발광은 SrAl2O4 모상결정에 첨가된 부활제 (activator)인 Eu2+이온의 4f-5d 천이에 기인하며 장잔광 특성은 공부활제 (coactivator)로 첨가되는 Dy3+에 의한 정공(hole)의 포획(trapping) 현상에 의하여 설명된다.

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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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