[논문]함침법에 의한 Y(P,V)O4:Eu3+ 형광체의 합성 및 발광특성

한정화; 김수종

doi:10.4191/kcers.2011.48.6.565

함침법에 의한 Y(P,V)O4:Eu3+ 형광체의 합성 및 발광특성
Preparation and Luminescence Properties of Y(P,V)O4:Eu3+ Phosphor using Impregnation Method 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.48 no.6, 2011년, pp.565 - 570

한정화 (한라대학교 신소재화학공학과) , 김수종 (한라대학교 신소재화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The $Eu^{3+}$ doped $Y(P_x,V_{1-x})O_4$ (0 ${\leq}$ x ${\leq}$ 1) phosphors were synthesized by solid-state and impregnation method and investigated as potential red-emitting phosphors for a plasma display panel(PDP). The optimal substitution proportion of P for V was determined to be 60 mol%, for $Y(P_x,V_{1-x})O_4$ doped with 8 mol% $Eu^{3+}$. The VUV PL spectra and SEM for the synthesized phosphors were measured and compared against those of a commercial red-emission phosphor. The $Y(P_x,V_{1-x})O_4$:$Eu^{3+}$ phosphors exhibited strong red at around 592, 618 and 698 nm. The emission intensity and particle size of the phosphors were controlled by preparation conditions.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

Y(P,V)O4:Eu3+ 적색형광체를 함침법으로 합성하기 위해 출발물질로 고순도 Y(NO3)3·nH2O, VOSO4·nH2O, Eu(NO3)3·nH2O 및 H3PO4을 사용하여 시료가 일정한 조성이 되도록 출발 물질을 각각 칭량하였다.
본 연구에서는 펄프를 이용한 함침법으로 Y(P,V)O₄:Eu³⁺적색형광체를 합성하였고, 이때 소성온도 및 P, V 조성변화를 통해 최대 발광효과를 나타내는 최적조건을 찾았다. 이를 통해 균일한 입도분포를 갖는 구상의 나노 형광체입자를 얻을 수 있었고, 이렇게 합성된 형광체를 PDP에 적용하면 디스플레이의 화면 밝기를 증가시키고, 고해상도를 달성할 수 있을 것이다.
이때 Ni 필터를 장착한 Cu-Kα를 사용하여 측정하였다. 분말의 입자 크기 및 형태를 주사전자현미경(scanning electron microscopy) PHILIPS XL 30S FEG를 사용하여 관찰하였다. PDP용 형광체의 발광특성은 (주)PSI의 VUV 형광체 평가장치 PSVUVPTE-K1200으로 실제 PDP의 환경과 유사한 진공 자외선 영역의 147 nm 여기광원으로 측정하였다.
V.사의 DMAX-2500V/PC High power X-ray Diffractometer로 X-선 회절패턴을 조사하였다. 이때 Ni 필터를 장착한 Cu-Kα를 사용하여 측정하였다.
소성 처리된 시료를 분쇄하여 최종적인 분말 형태의 형광체를 얻을 수 있었고, 다음의 분석방법을 통해 합성된 시료의 특성을 조사하였다. 열처리한 시료의 결정성을 확인하기 위해서 PANalytical B.
소성온도를 1400oC로 고정하고, 기존의 고상법으로 합성한 형광체와 함침법으로 합성한 Y(Px,V1-x)O4:Eu3+ 형광체의 x 값 변화(0.5 ≤ x ≤ 0.65)에 따른 X-선 회절패턴을 조사하여 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다.
PDP용 형광체의 발광특성은 (주)PSI의 VUV 형광체 평가장치 PSVUVPTE-K1200으로 실제 PDP의 환경과 유사한 진공 자외선 영역의 147 nm 여기광원으로 측정하였다. 이때 본 실험에서 합성한 Y(P,V)O₄:Eu³⁺ 형광체와 현재 상용화된 PDP용 적색형광체의 발광특성을 비교 측정하였다.
먼저 Y(NO₃)₃·nH₂O와 Eu(NO₃)₃·nH₂O를 증류수에 넣어 용해시킨 후, VOSO₄·nH₂O 와 H₃PO₄를 차례로 위 용액에 혼합하여 이 혼합용액을 1시간 동안 magnetic stirrer로 교반시켰다. 전구체 매트릭스로 펄프를 사용하였고, 혼합용액과 펄프를 1:1의 중량비율로 하여 펄프를 혼합용액에 함침시켰다. 혼합용액이 함침된 펄프를 상온에서 24시간 동안 자연 건조시킨 후, 1000~1400^oC에서 2시간 소성하여 형광체를 합성하였다.
출발물질로는 Y(NO3)3·nH2O, VOSO4·nH2O, Eu(NO3)3·nH2O 및 H3PO4을 사용하여 1400o C에서 2시간 동안 소성하였다.

대상 데이터

분말의 입자 크기 및 형태를 주사전자현미경(scanning electron microscopy) PHILIPS XL 30S FEG를 사용하여 관찰하였다. PDP용 형광체의 발광특성은 (주)PSI의 VUV 형광체 평가장치 PSVUVPTE-K1200으로 실제 PDP의 환경과 유사한 진공 자외선 영역의 147 nm 여기광원으로 측정하였다. 이때 본 실험에서 합성한 Y(P,V)O₄:Eu³⁺ 형광체와 현재 상용화된 PDP용 적색형광체의 발광특성을 비교 측정하였다.
본 연구에서 함침법에 의해 합성된 Y(P,V)O₄:Eu³⁺ 형광체의 VUV PL 특성을 현재 삼성전자의 PDP용 적색형광체로 사용되고 있는 Y(P,V)O₄:Eu³+ 상용 형광체와 비교하여 Fig. 9에 나타내었다. 그 결과 본 실험에서 함침법으로 합성된 Y(P,V)O₄:Eu³+ 형광체가 현재 상용화된 Y(P,V)O₄:Eu³⁺ 형광체 보다 모든 파장 영역에서 다소 우수한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

이론/모형

액상에서 분체를 제조하는 방법인 침전법 중 함침법으로 Y(P,V)O₄:Eu³⁺ 적색형광체를 여러 조건에서 합성하였다. 출발물질로는 Y(NO₃)₃·nH₂O, VOSO₄·nH₂O, Eu(NO₃)₃·nH₂O 및 H₃PO₄을 사용하여 1400o C에서 2시간 동안 소성하였다.

성능/효과

1,2) 또한 형광체 입자의 크기와 형태는 우수한 성능의 디스플레이의 제조에 매우 결정적인 영향을 주고 있다. 일반적으로 cathode ray tube (CRT)나 X-ray 스크린 같은 용도로는 3~7 µm 정도의 균일한 입자의 형광체가 도포되는 것이 최적의 조건으로 알려져 있으며,³⁾ 이 외에도 입자크기를 줄이는 것이 더 높은 성능을 나타내는 것으로 보고되었다.
이때 모체의 VO₄^3-이온 대신에 동일구조의 PO₄^3- 이온을 일부 첨가하면 발광특성이 향상되는 데, 이는 부분적으로 존재하는 VO₄^3- 이온이 에너지 전이의 가교역할을 하는 것으로 알려져 있다.⁸⁾또한, 진공자외선(VUV) 여기 하에서 YPO₄가 YVO₄보다 더나은 에너지 흡수특성을 보여 Y(P,V)O₄:Eu³⁺의 PDP용 적색형광체 적용 가능성을 높여주었다.⁹⁾
8의 P, V 조성변화에 따른 발광강도 그래프에서도 확인할 수 있다. 고상법과 함침법에 의해 합성된 Y(P,V)O₄:Eu³⁺ 형광체의 상대적인 발광강도를 P의 조성 변화에 따라 비교해 본 결과, 모든 조성범위에서 함침법으로 합성한 형광체가 고상법에 의해 합성한 경우보다 훨씬 뛰어난 발광성능을 나타내고 있다. 또한, 두 경우 모두 초기에는 P의 함량이 증가함에 따라 발광강도가 강하여지다가 최대치를 지난 후에는 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다.
9에 나타내었다. 그 결과 본 실험에서 함침법으로 합성된 Y(P,V)O₄:Eu³+ 형광체가 현재 상용화된 Y(P,V)O₄:Eu³⁺ 형광체 보다 모든 파장 영역에서 다소 우수한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
또한 Y(Px,V1-x)O4:Eu3+ 형광체의 x값의 변화(0 ≤ x ≤ 1) 를 준 결과 고상법에 의한 형광체의 경우 x = 0.5에서 최대 발광강도를 나타낸 반면, 함침법의 경우에는 x = 0.6에서 가장 우수한 발광특성을 나타내었다.
고상법과 함침법에 의해 합성된 Y(P,V)O₄:Eu³⁺ 형광체의 상대적인 발광강도를 P의 조성 변화에 따라 비교해 본 결과, 모든 조성범위에서 함침법으로 합성한 형광체가 고상법에 의해 합성한 경우보다 훨씬 뛰어난 발광성능을 나타내고 있다. 또한, 두 경우 모두 초기에는 P의 함량이 증가함에 따라 발광강도가 강하여지다가 최대치를 지난 후에는 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다.
함침법에 의해 합성한 형광체의 VUV PL 특성을 확인하기위해 현재 상용화된 동일 조성의 PDP용 적색형광체 제품을 같이 측정하여 비교 분석한 결과, 함침법으로 합성한 Y(P,V)O4:Eu3+ 형광체가 현저히 우수한 발광특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 소성온도 및 P, V 조성변화, 함침법과 같은 합성방법의 변화에 따라 입자크기와 결정성장이 발광특성에 미치는 영향을 확인할 수 있었다.
1200^oC에서 소성하면 결정화가 촉진되고 결정이 성장하기 시작해 비교적 균일한 입자분포를 보이고 이에 따라 발광휘도가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다. 소성온도를 1400^oC로올리면 급속한 결정성장으로 인해 입자의 응집현상이 나타나기 시작하지만, 1200^oC의 경우보다 우수한 발광특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
6이상에서는 오히려 결정성이 떨어지고 입자의 응집현상이 심해져 매우 불규칙한 분포를 보여 휘도가 감소하고 있다. 이를 통해 Y(P,V)O4:Eu3+ 형광체 합성 시, V에 대한 P의 조성변화가 결정의 성장에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
함침법에 의해 합성한 형광체의 VUV PL 특성을 확인하기위해 현재 상용화된 동일 조성의 PDP용 적색형광체 제품을 같이 측정하여 비교 분석한 결과, 함침법으로 합성한 Y(P,V)O4:Eu3+ 형광체가 현저히 우수한 발광특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 소성온도 및 P, V 조성변화, 함침법과 같은 합성방법의 변화에 따라 입자크기와 결정성장이 발광특성에 미치는 영향을 확인할 수 있었다.

후속연구

적색형광체를 합성하였고, 이때 소성온도 및 P, V 조성변화를 통해 최대 발광효과를 나타내는 최적조건을 찾았다. 이를 통해 균일한 입도분포를 갖는 구상의 나노 형광체입자를 얻을 수 있었고, 이렇게 합성된 형광체를 PDP에 적용하면 디스플레이의 화면 밝기를 증가시키고, 고해상도를 달성할 수 있을 것이다.
이상의 결과에서 보듯이, Y(P,V)O₄:Eu³⁺ 형광체 합성 시, 소성온도뿐만 아니라 P, V 조성변화나 합성방법 등의 다양한 조건에 따른 입자크기와 결정성장이 발광특성에 미치는 영향을 복합적으로 고려해야 한다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PDP의 장점은?	디스플레이는 다양한 정보를 인간이 볼 수 있도록 화면으로 표시해주는 장치로, 디스플레이 시장은 LCD와 PDP가 주류를 이루고, OLED, 전자종이, 플렉시블 디스플레이 등이 새롭게 등장 하였다. 이러한 다양한 디스플레이 중에서도 PDP(Plasma Display Panel)은 자동발광방식으로 LCD에 비하여 반응속도가 1,000배 이상 빨라 동적인 영상의 구현에 좋다는 특징을 가지고 색 재현력이 뛰어나고, 밝기의 표현 영역이 넓으며, 눈의 피로도가 적은 것이 장점이다.
	PDP용 적색형광체는?	PDP용 적색형광체로는 Y2O3:Eu, (Y,Gd)BO3:Eu 및 Y(P,V)O4:Eu 등이 있는데, 대부분 낮은 색순도와 긴 잔광시간 등의 단점이 있어 이를 극복할 수 있는 고휘도의 우수한 적색형광체의 개발이 절실한 실정이다.1,2) 또한 형광체 입자의 크기와 형태는 우수한 성능의 디스플레이의 제조에 매우 결정적인 영향을 주고 있다.
	YVO4:Eu3+에서 모체의 VO43-이온 대신에 동일구조의 PO43- 이온을 일부 첨가했을때 발광특성이 향상되는 이유는?	CRT와 고압 수은램프용 적색형광체로 잘 알려진 YVO4:Eu3+ 는 자외선(UV) 여기 하에 강한 청색발광(450 nm)을 나타내는 VO43- 이온에서 활성제인 Eu3+ 이온으로 효율적인 에너지 전이가 생겨 강한 적색발광을 하게 된다. 이때 모체의 VO43-이온 대신에 동일구조의 PO43- 이온을 일부 첨가하면 발광특성이 향상되는 데, 이는 부분적으로 존재하는 VO43- 이온이 에너지 전이의 가교역할을 하는 것으로 알려져 있다.8)또한, 진공자외선(VUV) 여기 하에서 YPO4가 YVO4보다 더나은 에너지 흡수특성을 보여 Y(P,V)O4:Eu3+의 PDP용 적색형광체 적용 가능성을 높여주었다.

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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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