[논문]고상법을 이용한 Y3Al5O12:Ce3+의 제조에서 BaF2가 미치는 영향

원형석; 원창환; 원형일

doi:10.3740/mrsk.2011.21.11.604

고상법을 이용한 Y3Al5O12:Ce3+의 제조에서 BaF2가 미치는 영향
Effect of BaF2 as a Flux in Solid State Synthesis of Y3Al5O12:Ce3+ 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.21 no.11, 2011년, pp.604 - 610

원형석 (충남대학교 공과대학 나노신소재공학과) , (충남대학교 공과대학 나노신소재공학과) , 원창환 (충남대학교 공과대학 나노신소재공학과) , 원형일 (충남대학교 공과대학 나노신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of $BaF_2$ flux in $Y_3Al_5O_{12}:Ce^{3+}$(YAG:Ce) formation was investigated. Phase transformation of $Y_3Al_5O_{12}$(YAG) was characterized by using XRD, SEM, and TEM-EDS, and it was revealed that the sequential formation of the $Y_4Al_2O_9$(YAM), $YAlO_3$(YAP) and $Y_3Al_5O_{12}$(YAG) in the temperature range of 1000-1500$^{\circ}C$. Single phase of YAG was revealed from 1300$^{\circ}C$. In order to find out the effect of $BaF_2$ flux, three modeling experiments between starting materials (1.5$Al_2O_3$-2.5$Y_2O_3$, $Y_2O_3$-$BaF_2$, and $Al_2O_3$-$BaF_2$) were done. These modeling experiments showed that the nucleation process occurs via the dissolution-precipitation mechanism, whereas the grain growth process is controlled via the liquid-phase diffusion route. YAG:Ce phosphor particles prepared using a proposed technique exhibit a spherical shape, high crystallinity, and an emission intensity. According to the experimental results conducted in this investigation, 5% of $BaF_2$ was the best concentration for physical, chemical and optical properties of $Y_3Al_5O_{12}:Ce^{3+}$(YAG:Ce) that is approximately 10-15% greater than that of commercial phosphor powder.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 서브마이크로 사이즈의 산화물(Y₂O₃, Al₂O₃, CeO₂)과 YAG분말 합성에서 적절한 융제(flux)로 알려진 BaF₂을 사용하여 일반적인 고상법의 소성온도보다 낮은 소성온도를 통해 기존 고상법의 결점을 보완하고자 하였다.
이러한 결과는 Y₂O₃, Al₂O₃입자가 BaF₂를 첨가하여 1.5Y₂O₃+ 2.5Al₂O₃+ 5%BaF₂+ CeO₂ 혼합물의 열처리 과정 중 어떠한 형상변화가 일어나는지 알려준다. 위에서 언급했듯이 출발물질들은 용해-석출 과정을 통해 액상의 입자들을 형성해 가는데 이때 계면장력으로 인해 구형의 형태를 띄게 된다.

제안 방법

YAG분말을 합성하기 위해 산화물들의 혼합물을 기준으로 5 wt% BaF₂을 첨가하여 실험하였고 소성온도는 BaF₂ (Tmelt = 1368℃)의 녹는점 사이에서 실험하였다.
높은 발광 성질을 가지는 구형의 마이크로미터 사이즈로 된 다결정 Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺(YAG:Ce) 는 5 wt% BaF₂와 미세마이크로 크기의 산화물을 혼합하여 고상법으로 합성하였다. 혼합 후 반응은 YAG의 단결정을 위해 1000~1500℃ 온도에서 열처리하여 SEM, TEM 분석한 후 TEM-EDS를 사용하여 피크의 분석을 통해 다량의 YAG 입자의 조직 성장과정과 결정핵생성에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 이러한 점을 염두해 두고 액상의 존재를 확인하기 위해 Y2O3 − BaF2 (1:1) 과 Al2O3 − BaF2 (1:1)조성으로 각각 두 개씩 준비하여 1250℃에서 열처리를 하였으며 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다.
혼합분말은 최대온도에서 몇 시간동안 유지한 후 내렸고 열처리 후 형성된 YAG 분말은 뜨거운 물에 BaF2를 확실히 제거한 후 건조기에 100℃로 건조하였다. 분말회절패턴은 X-ray 회절분석기(Siemens D5000, Germany)를 통해 분석하고, 분말 형태는 투과전자현미경(TEM, JEM 2010, Japan)과 주사전자현미경(SEM, JSM 5410, JEOL, Japan)으로 관찰하였고, 제조된 분말의 광학적 특성은 형광분광광도계(F-7000, Hitachi, Japan)로 450 nm 여기파장에서 측정하였다.
와 미세마이크로 크기의 산화물을 혼합하여 고상법으로 합성하였다. 혼합 후 반응은 YAG의 단결정을 위해 1000~1500℃ 온도에서 열처리하여 SEM, TEM 분석한 후 TEM-EDS를 사용하여 피크의 분석을 통해 다량의 YAG 입자의 조직 성장과정과 결정핵생성에 대해 연구하였다. 구형의 YAG 입자의 결정핵생성은 용융-석출 메카니즘을 통해 형성이 되었고 반면 조직성장 과정은 액상의 확산 방법을 통해 이루어진다는 것을 확인하였다.

대상 데이터

모든 실험은 Y_2.95Ce_0.05Al₅O₁₂의 몰비율에 맞춰 진행하였다. 분말합성을 위한 재료에는 산화알루미늄(Al₂O₃, 입자 사이즈: 01-.
분말합성을 위한 재료에는 산화알루미늄(Al2O3, 입자 사이즈: 01-.0.3 µm, 순도: 99.95%); 산화이트륨(Y2O3, 입자 사이즈: < 2 µm, 순도: 99.99%); 산화세륨(CeO2, 입자사이즈: < 1 µm, 순도: 99.99%); 그리고 불화바륨(BaF2, 평균 입자사이즈: 0.5 µm, 순도: 98%)을 사용하여 화학 당량비에 따라 무게를 재고 볼밀을 통해 몇 시간동안 혼합 후 건조 하였고, 건조된 분말은 크기가 작은 알루미나 도가니에 채워 넣은 후 숯이 들어있는 크기가 큰 알루미나 도가니에 넣었다.

성능/효과

Fig. 2(a) 1000℃에서 제조한 분말을 분석한 결과 생성물질들은 BaF₂, Y₄Al₂O₉, Al₂O₃, Y₂O₃, YO_1.4로 나타났고 Y₃Al₅O₁₂(YAG)상은 없는 것으로 나타났다. 1150℃에서는 제조된 분말은 (Fig.
450~800 nm에 이르는 발광 스페트럼은 YAG격자에서 Ce³⁺의 궤도사이의 전이(5d → 4f)에 기인한 것이다. 1500℃에서 제조된 분말에서 높은 발광강도가 보였고 1500℃ 이하에서(e.g., 1400℃와 1300℃) 제조된 분말들은 낮은 결정성과 Ce³⁺로 환원이 잘 이루어지지 않아 상대적으로 낮은 발광강도를 보였다.
혼합 후 반응은 YAG의 단결정을 위해 1000~1500℃ 온도에서 열처리하여 SEM, TEM 분석한 후 TEM-EDS를 사용하여 피크의 분석을 통해 다량의 YAG 입자의 조직 성장과정과 결정핵생성에 대해 연구하였다. 구형의 YAG 입자의 결정핵생성은 용융-석출 메카니즘을 통해 형성이 되었고 반면 조직성장 과정은 액상의 확산 방법을 통해 이루어진다는 것을 확인하였다. 1500℃에서 소성된 YAG:Ce 형광체 분말은 발광강도가 상용 형광체에 비해 대략 10~15%정도 더 높게 나왔다.
8은 여러 가지 BaF₂양을 첨가하여 제조된 YAG:Ce 분말의 흡수 및 발광 스펙트럼이다. 보는바와 같이 BaF₂의 양이 증가하면 할수록 발광강도가 증가하였고 본 연구의 실험들에 의하면 5wt% BaF₂이상에서는 발광강도의 증가 정도가 거의 미비하였다.
소성온도가 1500℃일 때, YAG:Ce는 완전하게 합성되었고, 그리고 발광강도는 상용 형광체보다 10~15% 더 높았다. 본 연구 결과를 종합해 볼때 BaF₂를 첨가하여 YAG분말을 제조할 때 높은 결정성을 가지고 분산성이 좋은 단일상의 구형 YAG을 얻을 수 있었고, 제조된 YAG 형광체는 상용대비 우수한 PL 특성을 보였다.
3(b)은 TEM-EDS을 통해 분석 하였다. 분석 결과에 따르면 구형입자는 Y, Al, O로 구성되었고[point 1], 하얀 부분은 Ba과 F, Y, Al, O로 구성으로 나타났다[point 2].
소성온도가 1500℃일 때, YAG:Ce는 완전하게 합성되었고, 그리고 발광강도는 상용 형광체보다 10~15% 더 높았다. 본 연구 결과를 종합해 볼때 BaF₂를 첨가하여 YAG분말을 제조할 때 높은 결정성을 가지고 분산성이 좋은 단일상의 구형 YAG을 얻을 수 있었고, 제조된 YAG 형광체는 상용대비 우수한 PL 특성을 보였다.
위의 결과들을 종합해 볼 때 반응 초기에서는 액상형태의 반응이 진행되다 온도가 상승하여 약 1300℃이후 에서는 구형의 YAG분말이 형성되어 입자성장을 한다는 것을 알 수 있고 이러한 과정은 용해-석출의 메카니즘에 의해 일어난다는 것을 알 수 있다.
이 결과를 볼 때, 구형의 입자는 YAl₅O₁₂ 으로 예측할 수 있고 하얀부분은 BaF₂와 함께 YAM이나 YAP으로 이루어져 있다는 것을 예상할 수 있다. 1300℃, 1500℃에서 합성된 입자의 TEM사진은 Fig.
2(d)). 이것으로 보아 융제 (BaF₂)는 YAG를 형성하는 데 있어서 상당한 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	YAG를 제조하는데 사용된 합성법의 단점은?	이 합성법들을 사용하면 낮은 합성온도와 미세한 겔 상태로 형성이 되고 균일한 나노사이즈의 입자형태를 가지는 YAG분말을 얻을 수 있는 장점을 가진다. 그러나 이들 합성법을 사용하여 제조되는 YAG분말들은 1 µm보다 작은 입자들로 인해 낮은 발광효율을 가진다. 또한 원료의 값이 비싸고 긴 반응시간과 정확한 몰비율을 유지해야 하는 단점을 가지기 때문에 YAG형광체의 제조에 있어서 위와 같은 합성법들은 아직 해결해야 되는 문제점들이 있다.
	YAG란?	YAG는 입방정의 garnet 구조를 가지고 있는 화합물로서 독특한 광학적, 기계적 성질로 cathode-ray tubes (CRTs), field-emission displays (FEDs) 등 많은 분야에 응용되고 있는 형광체이다.1-3) 특히 YAG가 Display용 형광체로 쓰일 경우 YAG의 분말특성은 고해상도와 고효율 Display 를 구현하는데 매우 중요한 요소 중 하나이다.
	고상법의 장점은?	단일상의 YAG 분말을 얻기 위해 사용되는 가장 보편적인 방법은 보통 Y2O3 와 Al2O3 을 원료로 사용하는 고상법을 통해 합성되어왔다. 고상법은 다른 합성법과 비교해 보았을 때 원재료 값이 싸고 간단한 공정으로 단일상의 YAG분말을 얻을 수 있다. 그러나 이 공정은 높은 소성온도에서 긴 시간을 유지해야 되는 단점을 가진다.

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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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