[논문]Eu 도핑 SrAl2O4 형광체의 광 여기 전류 특성에 대한 Dy 코-도핑 효과

김세기

doi:10.5369/jsst.2009.18.1.048

Eu 도핑 SrAl2O4 형광체의 광 여기 전류 특성에 대한 Dy 코-도핑 효과
Dy co-doping effect on photo-induced current properties of Eu-doped SrAl2O4 phosphor 원문보기

센서학회지 = Journal of the Korean Sensors Society, v.18 no.1, 2009년, pp.48 - 53

김세기 (요업기술원 전자소재팀)

Abstract ▼ AI-Helper

$Eu^{2+}$-doped ${SrAl_2}{O_4}$ and $Eu^{2+}$, $Dy^{3+}$ co-doped ${SrAl_2}{O_4}$ phosphors have been synthesized by conventional solid state method. Photocurrent properties of $Eu^{2+}$ doped ${SrAl_2}{O_4}$ and $Eu^{2+}$, $Dy^{3+}$ co-doped ${SrAl_2}{O_4}$ phosphors, in order to elucidate $Dy^{3+}$ co-doping effect, during and after ceasing ultraviolet-ray (UV) irradiation have been investigated. The photocurrent of $Eu^{2+}$, $Dy^{3+}$ co-doped ${SrAl_2}{O_4}$ phosphors during UV irradiation was 4-times lower than that of $Eu^{2+}$-doped ${SrAl_2}{O_4}$ during UV irradiation, and 7-times higher than that of $Eu^{2+}$-doped ${SrAl_2}{O_4}$ after ceasing UV irradiation. The photocurrent results indicated that holes of charge carriers captured in hole trapping center during the UV irradiation and liberated after-glow process, and made clear that $Dy^{3+}$ of co-dopant acted as a hole trap. The photocurrent of ${SrAl_2}{O_4}$ showed a good proportional relationship to UV intensity in the range of $1{\sim}5mW/cm^2$, and $Eu^{2+}$-doped ${SrAl_2}{O_4}$ was confirmed to be a possible UV sensor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 축광성 형광체로 잘 알려진 SrAl₂O₄: Eu²⁺, Dy³⁺ 조성물의 광여기 광전류 특성에 대한 Dy co-doping 효과를 확인하기 위하여 (Sr_0.99Eu_0.01)Al₂O₄ 와 (Sr_0.94Eu_0.01Dy_0.05)Al₂O₄ 조성물을 통상의 고상반응법으로 상대 밀도 약 96 ~ 98 %의 단일상 치밀한 소결체를 제작하여 자외선 광여기에 의한 광전류 특성을 평가하였다.

제안 방법

%로 고정하고 Dy³⁺의 co-doping량을 5 at.%로 하여 광여기 중과 광여기 정지 후의 광전류의 감쇄특성을 비교 평가하였고, 광센서로서 의 활용 가능성을 검토하기 위하여 자외선 광원을 이 용한 광 여기 중과 광 여기 정지후의 광전류의 절대량 및 광량과의 직선성 등의 특성을 비교 분석하였다.
이때 Eu2O3는 부활제(activator), B2O3는 융제 (Flux)로서 8 mol% 첨가하였다. 각 원료는 화학양론비로 칭량한 후, 4시간 동안 볼밀링으로 혼합하였고, 혼합된 슬러리는 로터리 진공건조기(EYELA, Japan)를 사용하여 건조하고, 대기 중 1200℃에서 2시간 동안 하소하여 단일상의 목적 조성을 얻었다. 하소하여 얻어진 분체는 325 mesh (45 μm)체로 분쇄, 분급한 뒤, 다시 48시간 동안 습식으로 볼밀링하고 미분쇄하여 성형 압 600 kgcm²로 성형하고 3 % H₂/Ar 가스 분위기, 1350℃에서 2시간동안 환원소결하여 직경 12 mm의 소결체를 제작하였다.
광전류의 측정은 광원으로 피크 파장이 365 nm인 UV 램프(Sankyo denki, Japan)가 설치된 Fig. 1에 나타낸 바와 같은 측정 박스 내에 시편을 위치시켜 시편의 전극 양단에 직류전압발생기로(R6144, Advantest, Japan) 직류전압을 가하고 1 mW/cm²의 UV를 30분 동안 조사하여 시편을 안정화시킨 후, UV 램프를 OFF 한 후 약 6시간 동안 고저항측정기(R8340, Advantest, Japan)로 시편에 흐르는 광전류를 측정하였다. 이때 시편에 조사되는 UV 광량의 측정은 피크 파장이 365 ± 2 nm이었고 파장 반가폭(half bandwidth)이 12 nm ± 2인 radiometer(VLX-3W, Vilber Lourmat, Fran- ce)를 사용하였다.
하소하여 얻어 진 분체는 325 mesh (45 μm)체로 분쇄, 분급한 뒤, 다시 48시간 동안 습식으로 볼밀링하고 미분쇄하여 성형 압 600 kgcm2로 성형하고 3 % H2/Ar 가스 분위기, 1350℃에서 2시간동안 환원소결하여 직경 12 mm의 소결체를 제작하였다.
환원소결한 시편은 표면을 경면 연마하고 아세톤에 세척한 뒤 325 Mesh의 스테인리스 스크린으로 Fig. 1과 같이 간격 300 μm의 빗살무늬 모양의 전극을 프리트를 함유하지 않은 Pt 페이스트 (METECH, USA)로 형성하였고, 시료 표면에 대한 Pt 페이스트의 부착력을 부여하기 위하여 1350 ℃, 3 % H2/Ar 가스 분위기에서 열처리하여 광전류 측정 시료로 하였다.

대상 데이터

이때 시 편에 조사되는 UV 광량의 측정은 피크 파장이 365 ± 2 nm이었고 파장 반가폭(half bandwidth)이 12 nm ± 2인 radiometer(VLX-3W, Vilber Lourmat, Fran- ce)를 사용하였다.

성능/효과

(b)에 나타 낸 바와 같이 양 조성의 시료 모두 입자 크기가 2 ~ 10 μm 정도로서 Dy3+ co-doping에 의한 미세구조의 차이는 관찰되지 않았으며, 상대 밀도(이론밀도 3.558, JCPDS 74-0794)는 양 조성에서 약 96 ~ 98 %로서 치밀한 소결체를 얻을 수 있었다.
광전류 특성 평가의 결과, Dy³⁺ co-doping한 조성이 광자극에 의한 광전류 값이 약 25 %의 낮은 값을 나타내었고, 광자극이 정지된 이후의 잔광(after glow)에 의한 광전류 값에서는 약 700 % 만큼 큰 것으로 나타나, Dy³⁺ co-doping에 의한 정공 포획준위가 형성되어 장 잔광(long-lasting after glow) 발현 메커니즘과 같은 메커니즘으로 광전류가 발현됨을 확인할 수 있었고, 광센서로서는 Eu²⁺만 도핑된 (Sr_0.99Eu_0.01)Al₂O₄ 조성이 유리할 것으로 판단되었다. 또한 광량에 따른 광전류 값 의 직선성을 평가한 결과, 양 조성에 있어서 직선성을 나타내는 R-값이 0.
6에 나타내었다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이, Dy³⁺ co-doping 조성인 (Sr_0.94Eu_0.01Dy_0.05)Al₂O₄에 비하여 Eu²⁺만 도핑한 (Sr_0.99Eu_0.01)Al₂O₄ 조성의 광전류 값이 약 3.4 ~ 3.5배 높은 것을 알 수 있으며, 광량에 따른 광전류 값의 직선성을 평가한 결과를 Fig. 7에 나타내었는데, 두 조성의 광량 증가 시에 비하여 광량 감소 시의 광전류 값이 약간 높은 이력이 관찰되었으나, 최소자승법에 의한 분석 결과, Table 1에 그 결과를 요약한 바와 같이, 양조성에 있어서 직선성을 나타내는 R-값이 0.999 정도의 양호한 직선성을 나타냈으며, 신뢰성을 나타내는 P-값이 0.0001 이하의 높은 신뢰성을 나타내어 광센서로서의 응용 가능성을 확인할 수 있었다.
01)Al₂O₄ 조성이 유리할 것으로 판단되었다. 또한 광량에 따른 광전류 값 의 직선성을 평가한 결과, 양 조성에 있어서 직선성을 나타내는 R-값이 0.999 정도의 양호한 직선성을 나타냈으며, 신뢰성을 나타내는 P-값이 0.0001 이하의 높은 신뢰성을 나타내어 광센서로서의 응용 가능성을 확인할 수 있었다.
01)Al₂O₄ 조성이 유리할 것으로 여겨진다. 또한 이러한 광 여기 광전류값 의 경시 변화 측정을 통하여 Dy³⁺ co-doping에 의하여 정공 포획준위가 형성되어 있음을 확인할 수 있었고, 이러한 광 여기 전류값의 차이는 Matsuzawa 등^[3]의 장 잔광(long-lasting after glow) 발현 메커니즘에서 밝혀진 바와 같이, 포획되었던 정공으로 인한 것임을 알 수 있었고 많은 연구자들이 광자극 정지 후의 잔광의 세기와 지속성 등의 형광 특성에 대한 연구^[7,14,15]를 통하여 확인되어 왔으나, 본 연구에서 형광 특성 평가가 아닌 광전류의 평가를 통하여 정공 포획준위를 확인을 할 수 있었다는 점에서 그 의의가 있다.
본 실험의 목적 조성물인 (Sr_0.99Eu_0.01)Al₂O₄와 (Sr_0.94 Eu_0.01Dy_0.05)Al₂O₄을 3 % H₂/Ar 가스 분위기, 1350 ^oC 에서 2시간동안 환원소결하여 연녹색을 띄는 소결체를 제작하였고, 결정상은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 단일 상임을 확인하였고, Dy co-doping 조성은 첨가량이 5 at%로서 미량인 관계로 XRD 상으로는 차이를 나타내지 않았다. 소결체의 미세구조는 Fig.
만 도핑되어 정공 포획준위가 없는 경우 보다 광 여기에 의한 광전류 값이 적을 것으 로 예상되며, 광 여기가 정지된 이후의 잔광(after glow)에 의한 광전류 값은 광 여기 정지 후에 포획되었 던 정공의 방출로 인하여 보다 클 것으로 예상된다. 이 러한 예상대로 Fig. 5의 광전류의 경시변화 특성 평가 결과로 알 수 있는 바와 같이, (Sr_0.94Eu_0.01Dy_0.05)Al₂O₄ 조성의 Dy³⁺ co-doping 시료에 있어서의 광전류 값이 (Sr_0.94Eu_0.01)Al₂O₄ 조성에 비하여 광조사 중에는 약 25 %인 41 nA인 반면, 광 여기가 정지되고 약 6시간 이후의 잔광(after glow)에 의한 광전류 값은 약 700 % 인 36 pA로서 높게 나타났으며, 광 여기 중의 광전류대비 광 여기를 정지하고 6시간 후의 광전류는 Eu2+만 도핑된 경우가 약 4.5 승의 광전류 값의 감소를 나타낸 반면, Dy³⁺ co-doping의 경우는 약 2승의 광전류 값의 감소를 나타내었다. 이러한 Dy³⁺ co-doping 소결체 조 성에서의 광전류 감소는 Yuan 등^[12]이 보고한 단결정 파이버 시료에서의 경우와 유사한 경향을 나타내었으며, 본 연구에서 처음 보고되는 Eu²⁺만 도핑된 경우는 이보다 약 2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 Eu2+ 도핑 SrAl2O4의 광여기 광전류 특성에 미치는 Dy3+의 co-doping 효과를 명확히 하기 위하여 Eu2+ 도핑량을 1 at.%로 고정하고 Dy3+의 co-doping량을 5 at.%로 하여 광여기 중과 광여기 정지 후의 광전류의 감쇄특성을 비교 평가하였고, 광센서로서 의 활용 가능성을 검토하기 위하여 자외선 광원을 이 용한 광 여기 중과 광 여기 정지후의 광전류의 절대량 및 광량과의 직선성 등의 특성을 비교 분석한 결과는?	광전류 특성 평가의 결과, Dy3+ co-doping한 조성이 광자극에 의한 광전류 값이 약 25 %의 낮은 값을 나타내었고, 광자극이 정지된 이후의 잔광(after glow)에 의 한 광전류 값에서는 약 700 % 만큼 큰 것으로 나타나, Dy3+ co-doping에 의한 정공 포획준위가 형성되어 장 잔광(long-lasting after glow) 발현 메커니즘과 같은 메 커니즘으로 광전류가 발현됨을 확인할 수 있었고, 광센 서로서는 Eu2+만 도핑된 (Sr0.99Eu0.01)Al2O4 조성이 유 리할 것으로 판단되었다. 또한 광량에 따른 광전류 값 의 직선성을 평가한 결과, 양 조성에 있어서 직선성을 나타내는 R-값이 0.999 정도의 양호한 직선성을 나타 냈으며, 신뢰성을 나타내는 P-값이 0.0001 이하의 높은 신뢰성을 나타내어 광센서로서의 응용 가능성을 확인 할 수 있었다.
	Eu2+ 도핑 SrAl2O4 휘도의 감쇄속도는?	Eu2+ 도핑 SrAl2O4는 520 nm(녹색)에서 발광피크를 가지는 형광체로서 그 휘도의 감쇄속도(최초 휘도의 10 % 휘도를 나타내는데 걸리는 시간)가 10 마이크로초로서 Palilla 등에 의하여 1968년 보고[1]되었고, Abbruscato는 1971년 Eu2+ 도핑 rAl2O4의 형광 특성 이 조성에 민감하며 알루미나 과잉의 조성에서 형광과 광 여기 광전류를 담당하는 전하종이 같은 정공(hole) 으로서 형광의 감쇄 거동과 가시광 여기 광전류의 감 쇄 거동이 유사하다는 것과 결정 결함이 정공포획센터 (hole trap center)로 작용한다는 것을 밝힌 바 있다[2].
	Eu2+ 도핑 SrAl2O4는 어디에서 발광 피크를 가지는가?	Eu2+ 도핑 SrAl2O4는 520 nm(녹색)에서 발광피크를 가지는 형광체로서 그 휘도의 감쇄속도(최초 휘도의 10 % 휘도를 나타내는데 걸리는 시간)가 10 마이크로초로서 Palilla 등에 의하여 1968년 보고[1]되었고, Abbruscato는 1971년 Eu2+ 도핑 rAl2O4의 형광 특성 이 조성에 민감하며 알루미나 과잉의 조성에서 형광과 광 여기 광전류를 담당하는 전하종이 같은 정공(hole) 으로서 형광의 감쇄 거동과 가시광 여기 광전류의 감 쇄 거동이 유사하다는 것과 결정 결함이 정공포획센터 (hole trap center)로 작용한다는 것을 밝힌 바 있다[2].

참고문헌 (15)

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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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