[논문]Eu3+ 함량비가 Y1-xPO4:Eux3+ 적색 형광체의 발광 특성에 미치는 영향

조선욱; 조신호

doi:10.5757/jkvs.2011.20.6.430

Eu3+ 함량비가 Y1-xPO4:Eux3+ 적색 형광체의 발광 특성에 미치는 영향
Effects of Eu3+ Concentration on the Photoluminescence Properties of Y1-xPO4:Eux3+ Red Phosphor 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.20 no.6, 2011년, pp.430 - 435

조선욱 (신라대학교 공과대학 신소재공학과) , 조신호 (신라대학교 공과대학 신소재공학과)

초록
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고상 반응법을 사용하여 $Eu^{3+}$ 이온의 함량비를 변화시키면서 $Y_{1-x}PO_4:{Eu_x}^{3+}$ 적색 형광체를 합성하였다. 모든 적색 형광체의 결정 구조는 $25.88^{\circ}$에 중심을 갖는 (200) 주 회절 피크로 구성되는 정방정계이었으며, 결정 입자의 형상은 $Eu^{3+}$ 이온의 함량비가 증가함에 따라 구형에 근접하고 균일한 크기 분포를 나타내었다. 형광 특성의 경우에, $Eu^{3+}$ 이온의 함량비에 관계없이 모든 세라믹은 파장 593.0과 619.2 nm에 피크를 갖는 각각 적주황색과 적색 형광을 나타내었다. $Eu^{3+}$ 이온의 함량비가 증가함에 따라 여기 스펙트럼의 파장은 약간씩 장파장 쪽으로 이동하면서 흡수 세기는 증가하는 경향을 보였으며, $Eu^{3+}$ 이온의 함량비가 0.15 mol일 때 최대 흡수 및 발광 스펙트럼이 관측되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

$Y_{1-x}PO_4:{Eu_x}^{3+}$ red phosphors were synthesized with changing the concentration of $Eu^{3+}$ ion by using a solid-state reaction method. The crystal structures of all the red phosphors were found to be a tetragonal system composed of (200) diffraction peak centered at $25.88^{\circ}$, and the morphology of grains approached the spherical form with homeogenous size distribution as the concentration of $Eu^{3+}$ ion increased. As for the photoluminescence properties, all of the ceramic phosphors, irrespective of $Eu^{3+}$ ion concentration, showed the red-orange and the red emission peaked at 593.0 and 619.2 nm respectively. As the concentration of $Eu^{3+}$ ion increased, the excitation spectrum moved into a longer wavelength with the increase of emission intensity. The maximum excitation and the emission spectrum were observed at 0.15 mol of $Eu^{3+}$ ion.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 YPO₄ 모체 결정에 도핑한 활성제 Eu³⁺이온의 농도를 변화시키면서 고상 반응법을 사용하여 높은 발광 효율을 갖는 Y_1-xPO₄:Eu_x³⁺ 적색 형광체를 합성하였다. 특히, 활성제 Eu³⁺ 이온 농도의 변화가 형광체의 결정 구조, 입자의 크기와 형상, 흡수 및 발광 스펙트럼의 세기에 미치는 영향을 조사하여 최적의 합성 조건을 결정하였다.

가설 설정

(b) the PL intensity of the 5D0→7F1 and 5D0→7F2 transitions as a function of Eu3+ concentration.

제안 방법

건조한 시료를 아게이트 막자사발(agate-mortar)에 넣고 잘게 갈아서 80 μm 크기를 갖는 체로 걸러낸 후에 알루미나 도가니에 담아서 전기로에서 분당 5℃의 속도로 승온시켜 350℃에서 5시간 하소 공정을 실시한 후에 온도를 계속 증가시켜 1,100℃에서 5시간 동안 소결하였다.
고상 반응법을 사용하여 활성제 Eu³⁺ 이온의 함량비를 변화시키면서 Y_1-xPO₄:Eu_x³⁺ 적색 형광체 세라믹을 합성하였으며, 활성제의 함량비가 형광체 분말의 결정 구조, 표면형상과 형광 특성에 미치는 연관성을 조사하였다. 결정 구조의 경우에 주 피크는 (200)면에서 회절된 신호이었으며, 함량비에 관계없이 모든 형광체 분말은 정방 정계의 구조를 보였다.
특히, 활성제 Eu³⁺ 이온 농도의 변화가 형광체의 결정 구조, 입자의 크기와 형상, 흡수 및 발광 스펙트럼의 세기에 미치는 영향을 조사하여 최적의 합성 조건을 결정하였다. 또한, 회절 신호의 반치폭과 발광 세기의 상호 관계를 조사하였다.
적색 형광체를 합성하였다. 특히, 활성제 Eu³⁺ 이온 농도의 변화가 형광체의 결정 구조, 입자의 크기와 형상, 흡수 및 발광 스펙트럼의 세기에 미치는 영향을 조사하여 최적의 합성 조건을 결정하였다. 또한, 회절 신호의 반치폭과 발광 세기의 상호 관계를 조사하였다.
02°의 스캔 속도로 측정하였다. 표면의 미세 구조는 주사전자현미경(scanning electron microscopy: SEM, Hitachi S4300)을 사용하여 관측하였다. 형광 및 여기 스펙트럼은 Xenon 램프를 광원으로 갖는 형광 광도계(Scinco, FS-2)를 사용하여 상온에서 측정하였다.
표면의 미세 구조는 주사전자현미경(scanning electron microscopy: SEM, Hitachi S4300)을 사용하여 관측하였다. 형광 및 여기 스펙트럼은 Xenon 램프를 광원으로 갖는 형광 광도계(Scinco, FS-2)를 사용하여 상온에서 측정하였다.
형광체 분말의 결정 구조는 Cu-Kα 복사선(파장, 1.5406A)을 사용하는 X-선 회절 장치(X-ray diffraction: XRD-6000, Shimadzu)를 사용하여 산란각 10∼70° 영역에서 초당 0.02°의 스캔 속도로 측정하였다.
20 mol로 변화시켰다. 형광체 분말의 제조는 고정밀 저울로 측량한 초기 물질을 에탄올, ZrO₂볼과 함께 플라스틱 병에 넣고 밀봉한 다음에 400 rpm의 속도로 24시간 볼밀(ball-mill) 작업을 수행하였다. 체(sieve)로 ZrO₂ 볼을 걸러내고 혼합 분쇄된 용액을 비커에 담아 60℃로 유지한 건조기에서 20시간 동안 건조하였다.

대상 데이터

3(a)는 파장 231 nm로 여기 시킨 Eu³⁺ 이온의 함량비에 따른 Y_1-xPO₄:Eu_x³⁺ 적색 형광체 분말의 형광(photoluminescence) 스펙트럼을 나타낸 것이다. Eu³⁺ 이온의 함량비에 관계없이 모든 시료는 파장 593.0과 619.2 nm에 피크를 갖는 각각 적주황색과 적색 형광을 나타내었다. 이 발광 신호들은 활성제 Eu³⁺ 이온의 ⁵D₀→⁷F_j (j=1-2) 전이에 의해 발광된 스펙트럼들이다.
Y_1-xPO₄:Eu_x³⁺ 적색 형광체 분말 시료는 초기 물질 Y₂O₃(순도: 99.99%), P₂O₅ (99.99%), Eu₂O₃ (99.9%)을 화학적량으로 준비하여 합성하였다. 이때 Eu³⁺의 함량비를 0, 0.

성능/효과

일반적으로 결정 입자의 크기가 크고 균일한 분포를 갖고, 표면 형상이 구형에 근접한 분말의 경우에 형광세기는 증가하는 것으로 보고되고 있는데 [9], 본 연구에서도 Fig. 3(b)에 나타낸 형광 스펙트럼의 측정에서 보듯이, 결정 입자의 분포가 비교적 균일한 Eu3+ 이온의 함량비가 0.15 mol인 경우에 593 nm에서 발광되는 스펙트럼의 형광세기는 0.05 mol의 형광체 분말의 시료보다 약 2.4배 증가하였음을 관측할 수 있었다. 이 결과로부터, Eu³⁺ 이온의 함량비가 합성한 형광체 결정 입자의 크기 분포와 형광 세기에 상당한 영향을 미침을 알 수 있다.
15. 0.20 mol로 증가함에 따라 전하 전달 밴드에 의해 발생한 흡수 스펙트럼의 피크는 각각 231.5, 233.5, 234.5 nm로 약간씩 장파장 쪽으로 이동하면서 흡수 세기는 증가하는 경향을 보였으며, 0.15 mol에서 최대 흡수 신호가 관측되었다. 전하전달 밴드의 흡수 스펙트럼의 피크 위치가 장파장 쪽으로 이동한 것은 모체에 첨가되는 Eu³⁺ 이온의 함량비가 증가할수록 Eu-O 결합의 거리가 증가하였기 때문에 발생한 것으로 사료된다 [13].
Eu3+ 이온의 함량비가 0.05에서 0.10, 0.15, 0.20 mol로 증가함에 따라 주 피크인(200)면의 회절 신호의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)의 크기는 순차적으로 증가하였으며, 그 값은 각각 0.22, 0.23, 0.24, 0.28°였다.
3(b)의 삽입 그림은 Y_1-xPO₄:Eu_x³⁺ 형광체에서 ⁵D₀→⁷F₁ 전이와 ⁵D₀→⁷F₂의 전이에 의해 발광되는 스펙트럼의 발광 세기의 비, 즉 ⁵D₀→⁷F₁/⁵D₀→⁷F₂ 발광세기의 비를 Eu³⁺ 함량비의 함수로 나타낸 것이다. Eu³⁺ 이온의 함량비가 0.05와 0.10 mol인 경우에는 적색 발광의세기가 적주황색의 세기보다 약간 증가하였으나, Eu³⁺ 이온의 함량비가 0.15와 0.20 mol에서는 두 발광 세기의 크기가 반전되어 적주황색의 발광 세기가 급격히 증가함을 알 수 있다. 일반적으로, Eu³⁺ 이온이 반전 대칭(inversion symmetry)의 자리에 주입될 때 ⁵D₀→⁷F₁ 전이가 허용되고, Eu³⁺ 이온이 비반전 대칭(non-inversion symmetry)의 자리에 위치하는 경우에는 ⁵D₀→⁷F₂ 전이만 허용되기 때문에 두 전이에 의한 발광 세기의 비는 대칭 비(symmetry ratio)라고 알려져 있으며, 모체 격자에 위치하는 Eu³⁺ 이온 주위의 국소적인 환경이 반전 대칭에서 변형되는 척도를 나타낸다 [12].
2 nm에 피크를 갖는 가장 강한 적주황색과 적색 발광을 나타내었다. Eu³⁺ 이온의 함량비가 0.20 mol로 증가함에 따라 두 스펙트럼 발광 세기의 비가 반전됨을 확인하였으며, 최대 흡수 및 발광 세기는 Eu³⁺ 이온의 함량비가 0.15 mol일 때 발생하였다. 본 실험 결과는 활성제 Eu³⁺ 이온의 함량비를 적절히 선택함으로써 Y_1-xPO₄:Eu_x³⁺ 적색 형광체의 발광 세기를 제어할 수 있음을 제공한다.
표면 형상의 경우에, Eu³⁺ 이온의 함량비가 증가함에 따라 결정 입자의 크기 분포는 균일해지면서 구형에 가까워짐을 관측하였다. Y_1-xPO₄:Eu_x³⁺ 적색 형광체는 231 nm를 중심으로 넓은 흡수 스펙트럼을 보였으며, 발광신호는 각각 593와 619.2 nm에 피크를 갖는 가장 강한 적주황색과 적색 발광을 나타내었다. Eu³⁺ 이온의 함량비가 0.
일반적으로, Eu³⁺ 이온이 반전 대칭(inversion symmetry)의 자리에 주입될 때 ⁵D₀→⁷F₁ 전이가 허용되고, Eu³⁺ 이온이 비반전 대칭(non-inversion symmetry)의 자리에 위치하는 경우에는 ⁵D₀→⁷F₂ 전이만 허용되기 때문에 두 전이에 의한 발광 세기의 비는 대칭 비(symmetry ratio)라고 알려져 있으며, 모체 격자에 위치하는 Eu³⁺ 이온 주위의 국소적인 환경이 반전 대칭에서 변형되는 척도를 나타낸다 [12]. 따라서 본 실험의 데이터는 Eu³⁺ 이온의 함량비가 0.05와 0.10 mol의 경우에 비반전대칭 자리에 위치하던 Eu³⁺ 이온이 0.15와 0.20 mol에 도달하면 두 발광 색의 세기 비가 반전되는 자리로 이동하였음을 의미한다.
15 mol일 때 발생하였다. 본 실험 결과는 활성제 Eu³⁺ 이온의 함량비를 적절히 선택함으로써 Y_1-xPO₄:Eu_x³⁺ 적색 형광체의 발광 세기를 제어할 수 있음을 제공한다.
5 nm이었다. 본 실험의 결과는 형광체 분말의 형광 세기와 활성제 Eu³⁺ 이온의 함량비 사이에는 밀접한 관계가 있음을 보여주며, 결정 입자의 대소 차이보다는 크기 분포의 균일성이 형광 세기를 향상시키는데 중요한 변수임을 암시하고 있다. Fig.
전자는 (200)면에서 발생한 회절 신호이며, 후자는 (101), (112), (301), (312)면에서 회절된 신호들이다 [7]. 이 결과로부터 합성한 형광체 분말은 JCPDS#11-0254와 일치하는 정방 정계(tetragonal system)의 결정 구조를 가짐을 알 수 있다. Eu³⁺ 이온의 함량비가 0.
4배 증가하였음을 관측할 수 있었다. 이 결과로부터, Eu³⁺ 이온의 함량비가 합성한 형광체 결정 입자의 크기 분포와 형광 세기에 상당한 영향을 미침을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오르토인산염에 첨가하는 원소에 따라 형성되는 물질의 구조는?	그러나 일반적으로 첨가하는 희토류 양이온의 특성에 따라 두 종류의 서로 다른 결정 형태를 갖는 것으로 보고되고 있다 [3]. 오르토인산염에 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd 원소를 첨가하면 단사정계(monoclinic system)를 갖는 모나자이트(monazite) 형태의 구조로 형성되는 반면에, Y, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu를 도핑하면 오르토인산염은 정방정계(tetragonal system)를 갖는 제노타임(xenotime) 형태로 결정화 된다 [4].
	희토류 발광 물질이 다양한 분야에 응용될 수 있는 물질로 부상하는 이유는 무엇인가?	희토류 발광 물질은 4f 껍질에 위치하는 전자의 독특한 전기 및 광학적 특성 때문에 고효율의 발광 소자, 플라즈마 디스플레이, 자석, 촉매, 메디컬 이미징 검출기와 같은 다양한 분야에 응용할 수 있는 물질로 부상하고 있다 [1,2]. 특히, 희토류 오르토인산염(rare earth orthophosphates)은 우수한 화학적 안정성과 장파장 여기 특성을 나타내기 때문에 희토류 이온의 모체 물질(host material)과 광전 소자로 사용할 수 있다.
	형광체의 발광 특성은 어떤 요인에 의해 달라지는가?	형광체를 조명과 디스플레이 산업에 응용하기 위해서는 충분히 밝은 빛을 제공하는 형광체의 발광 세기가 중요한 변수이다. 이러한 발광 특성은 주로 모체 격자에 도핑되는 활성제(activator)의 농도, 입자의 형상과 크기 분포의 균일성, 결정성에 따라 달라진다. 그리하여 지금까지 많은 연구자들은 활성제 이온의 적절한 도핑 농도, 결정 입자의 크기와 형태, 소성 온도, 첨가제의 농도가 형광체의 발광 효율에 미치는 영향을 조사하였다 [5,6].

참고문헌 (13)

S. Cho, J. Korean Vacuum Soc. 20, 176 (2011).

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L. Yanhong and H. Guangyan, J. Solid State Chem. 178, 645 (2005).

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Q. Liu, Y. Su, H. Yu, and W. Han, J. Rare Earth. 26, 495 (2008).

상세보기
J. M. Nedelec, C. Mansuy, and R. Mahiou, J. Mol. Struct. 651-653, 165 (2003).

상세보기
Y. He, M. Zhao, Y. Song, G. Zhao, and X. Ai, J. Lumin. 131, 1144 (2011).

상세보기
W. Di, X. Wang, B. Chen, and S. Lu, Mater. Lett. 59, 2310 (2005).

상세보기
D. S. Jo, Y. Y. Luo, K. Senthil, T. Masaki, and D. H. Yoon, Opt. Mater. 33, 1190 (2011).

상세보기
M. A. Flores-Gonzalez, G. Ledoux, S. Roux, K. Lebbou, P. Perriat, and O. Tillement, J. Solid State Chem. 178, 989 (2005).

상세보기
D. W. Kim and S. S. Yi, Sae Mulli 56, 518 (2008).

상세보기
W. Di, X. Zhao, S. Lu, X. Wang, and H. Zhao, J. Solid State Chem. 180, 2478 (2007).

상세보기
X. Yang, X. Dong, J. Wang, and G. Liu, Mater. Lett. 63, 629 (2009).

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J. Huang, R. Gao, Z. Lu, D. Qian, W. Li, B. Huang, and X. He, Opt. Mater. 32, 857 (2010).

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Y. Tao, G. Zhao, X. Ju, X. Shao, W. Zhang, and S. Xia, Mater Lett. 28, 137 (1996).

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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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