$Y_{1-x}BO_3:Ce_x^{3+}$ 세라믹 청색 형광체를 고상 반응법을 사용하여 $Ce^{3+}$ 이온의 농도를 변화시키면서 합성하였다. 청색 형광체의 결정 구조, 표면 형상과 광학 특성은 각각 X-선 회절 장치(XRD), 주사전자현미경, 광여기 및 발광 분광기를 사용하여 측정하였다. XRD 결과로부터 합성된 모든 형광체 분말의 주 피크는 (401)와 ($31\bar{2}$)면에서 발생한 회절 신호이었다. 광학 특성의 경우에, $Ce^{3+}$ 이온의 농도비가 0.10 mol일 때 여기 스펙트럼은 243 nm에서 발생하였고, 469 nm에 피크를 갖는 최대의 청색 형광 스펙트럼이 관측되었다.
$Y_{1-x}BO_3:Ce_x^{3+}$ 세라믹 청색 형광체를 고상 반응법을 사용하여 $Ce^{3+}$ 이온의 농도를 변화시키면서 합성하였다. 청색 형광체의 결정 구조, 표면 형상과 광학 특성은 각각 X-선 회절 장치(XRD), 주사전자현미경, 광여기 및 발광 분광기를 사용하여 측정하였다. XRD 결과로부터 합성된 모든 형광체 분말의 주 피크는 (401)와 ($31\bar{2}$)면에서 발생한 회절 신호이었다. 광학 특성의 경우에, $Ce^{3+}$ 이온의 농도비가 0.10 mol일 때 여기 스펙트럼은 243 nm에서 발생하였고, 469 nm에 피크를 갖는 최대의 청색 형광 스펙트럼이 관측되었다.
$Y_{1-x}BO_3:Ce_x^{3+}$ ceramic phosphors were synthesized with changing the concentration of $Ce^{3+}$ ion by using a solid-state reaction method. The crystal structure, surface morphology, and optical properties of the blue phosphors were investigated by using X-ray diffracto...
$Y_{1-x}BO_3:Ce_x^{3+}$ ceramic phosphors were synthesized with changing the concentration of $Ce^{3+}$ ion by using a solid-state reaction method. The crystal structure, surface morphology, and optical properties of the blue phosphors were investigated by using X-ray diffractometer (XRD), scanning electron microscopy, and photoluminescence and photoluminescence excitation spectrophotometry, respectively. The XRD results showed that the main peak of the phosphor powders occurs at (401)와 ($31\bar{2}$) planes. As for the optical properties, the excitation spectrum occurred at 243 nm and the value of blue emission intensity peaking at 469 nm reached the maximum when the concentration of $Ce^{3+}$ ion was 0.10 mol.
$Y_{1-x}BO_3:Ce_x^{3+}$ ceramic phosphors were synthesized with changing the concentration of $Ce^{3+}$ ion by using a solid-state reaction method. The crystal structure, surface morphology, and optical properties of the blue phosphors were investigated by using X-ray diffractometer (XRD), scanning electron microscopy, and photoluminescence and photoluminescence excitation spectrophotometry, respectively. The XRD results showed that the main peak of the phosphor powders occurs at (401)와 ($31\bar{2}$) planes. As for the optical properties, the excitation spectrum occurred at 243 nm and the value of blue emission intensity peaking at 469 nm reached the maximum when the concentration of $Ce^{3+}$ ion was 0.10 mol.
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문제 정의
본 연구에서는 이트륨 붕산염계(yttrium borates)인 YBO3 모체 결정에 Ce3+ 이온의 농도를 선택적으로 주입하여 발광 효율이 높은 청색 형광체를 합성하고자 한다. Ce3+이온은 반전성(parity)이 허용되는 4f-5d 전이를 하는 전형적인 희토류(rare-earth) 이온으로 알려져 있으며, 희토류 이온이 첨가된 붕산염계는 용이한 합성, 우수한 화학적 안정성, 진공자외선 영역에서의 높은 흡수율을 나타내기 때문에 디스플레이, 광전 소자, 섬광체(scintillator), 열량 측정(calorimetry)과 같은 영역에 응용될 좋은 물질로 부상하고 있다.
제안 방법
Ce3+이온은 반전성(parity)이 허용되는 4f-5d 전이를 하는 전형적인 희토류(rare-earth) 이온으로 알려져 있으며, 희토류 이온이 첨가된 붕산염계는 용이한 합성, 우수한 화학적 안정성, 진공자외선 영역에서의 높은 흡수율을 나타내기 때문에 디스플레이, 광전 소자, 섬광체(scintillator), 열량 측정(calorimetry)과 같은 영역에 응용될 좋은 물질로 부상하고 있다. Ce3+ 이온의 함량에 따라 합성된 청색 형광체 분말의 결정 구조, 표면 특성, 형광 및 여기 스펙트럼을 조사하였다.
고상 반응법을 사용하여 Ce3+의 함량비에 따른 Y1-xBO3: Cex3+ 청색 형광체 분말을 합성하였으며, 그 형광체 분말의 결정 구조, 표면 형상과 광학적 특성을 조사하였다. XRD로 측정한 결정 구조의 경우에 (401)와 (31#)면에서 회절 무늬의 피크가 뚜렷하게 발생하였으며, Ce3+의 함량이 0.
하소 온도 1,000℃에서 합성한 분말의 경우에 590 nm에 피크를 갖는 YAG의 발광과 613 nm에 피크를 갖는 Y4Al2O9 (YAM)에 의한 발광을 동시에 관측하였다.
형광체 분말의 결정 구조는 Cu-Kα 복사선(파장: 1.54Å)을 사용하여 X-선 회절(X-ray diffraction: XRD, Shimadzu XRD-6000) 측정으로 조사하였으며, 이때 X-선의 산란각 2θ은 10∼70° 영역에서 매초당 0.02°의 주사 속도로 측정 하였다.
02°의 주사 속도로 측정 하였다. 형광체의 표면 형상은 주사전자현미경(scanning electron microscopy: SEM, Hitachi S4300 FE-SEM)을 사용하여 촬영하였고, 발광 스펙트럼은 243 nm의 자외선 여기 파장을 갖는 Xenon 램프를 광원으로 갖는 형광 광도계(Shimadzu RF-5301PC)를 사용하여 상온에서 조사하였다.
05 mol인 형광체 분말의 경우에 243 nm에 주 피크를 갖는 여기(excitation) 스펙트럼과 360 nm에 피크를 갖는 매우 약한 신호가 관측되었다. 측정된 여기 신호는 Ce3+ 이온이 바닥 상태(ground state) 2Fj (j=7/2, 5/2)에서 여기 상태인 5d 준위로 전이하면서 발생한 신호이다[12]. 5d 준위는 결정장(crystal field)에 의하여 서로 분리되므로 243과 360 nm에 피크를 갖는 Ce3+ 이온의 흡수 밴드가 발생하였다 [13].
이론/모형
Figure 2. The size of crystalline grains for Y1-xBO3: Cex3+ phosphors synthesized with various Ce3+ concentrations calculated by using the Scherrer formula.
성능/효과
5는 파장 243 nm로 여기 시킨 Ce3+의 함량비에 따른 Y1-xBO3:Cex3+ 형광체 분말의 형광(photoluminescence) 스펙트럼을 나타낸 것이다. Ce3+의 함량비에 관계없이 모든 시료는 파장 469 nm에 발광 세기가 가장 큰 피크를 갖는 청색 형광을 나타내었고, 주 피크를 중심으로 발광 세기가 상대적으로 약한 451, 483, 493 nm에 피크를 갖는 청색 형광 스펙트럼들이 관측되었다. 모든 발광 신호들은 Ce3+ 이온이 5d 준위의 가장 낮은 결정장 분리 성분 준위에서 바닥 상태 4f 준위로 전이하면서 방출된 스펙트럼들이다 [12].
이 결과는 Ce3+ 이온을 도핑한 YAG 형광체에서 관측된 결과와 유사하다 [14]. Ce3+의 함량비에 관계없이 모든 주 여기 스펙트럼은 관측되었고, Ce3+의 함량비가 증가함에 따라 여기 신호의 흡수 세기는 증가하여 0.10 mol에서 최대값을 나타내었고, 계속 Ce3+의 함량을 증가함에 따라 흡수 세기는 더 이상 증가하지 않았고, 감소하는 추세를 보였다.
Ce3+의 함량이 0 mol인 경우에, 식 (1)을 사용하여 계산한 결정 입자의 평균 크기는 48 nm 이었다. Ce3+의 함량이 0.05 mol에서 0.15 mol로 증가함에 따라 결정 입자의 크기도 점점 증가하여 0.15 mol에서 최대값을 나타내었으나, Ce3+의 함량을 더욱 증가시키자 결정 입자의 크기는 현저히 감소하였다.
15 mol일 때 (31#)면의 회절 신호의 세기가 최대값을 나타내었다. SEM 측정을 통하여 Ce3+의 함량비가 증가할수록 결정 입자의 형상이 구형에 근접함을 확인하였다. Y1-xBO3: Tbx3+ 형광체는 243 nm에 주 흡수 파장을 나타내었으며, Ce3+ 이온이 5d→4f 전이를 하면서 방출하는 469 nm의 강한 청색 발광을 보였다.
모든 발광 신호들은 Ce3+ 이온이 5d 준위의 가장 낮은 결정장 분리 성분 준위에서 바닥 상태 4f 준위로 전이하면서 방출된 스펙트럼들이다 [12]. 본 실험의 경우에 Ce3+의 함량이 0.10 mol일 때 469 nm에 중심을 둔 청색 발광 신호의 세기가 최대임을 확인할 수 있었다. Ce3+의 함량이 0.
20 mol에서 급격히 감소하는 경향은 두 측정에서 얻은 결과가 유사함을 나타낸다. 이 결과로부터, 적절한 Ce3+의 함량비를 선택하면 Y1-xBO3:Cex3+ 청색 형광체의 결정 크기를 제어할 수 있음을 알 수 있다.
최근에 다수의 연구자들은 가시광 영역에서 빛을 방출하는 다양한 모체(host) 결정을 기반으로 하는 형광체 세라믹의 합성을 제안하고 있다 [4-5]. 이중에서, 란탄계열 이온이 첨가된 인산염(phosphate)과 규산염(silicate)을 기반으로 하는 모체 결정은 높은 발광 수율을 보였다. 특히, Eu2+가 도핑된 스트론튬 규산염(strontium silicate) Sr2SiO4은 황색 형광체로 개발되어 이것을 청색 GaN LED 칩 상부에 도포하였을 때 고효율의 백색 발광을 나타내었으며 [6], Mn2+가 첨가된 아연 규산염(zinc silicate) 형광체는 Zn2+와 Mn2+ 이온의 반경 크기가 비슷하여 활성체인 Mn2+ 이온이 모체에 있는 Zn2+ 이온을 치환하여 강한 녹색 발광을 나타내었다 [7].
1의 XRD 측정에서 주 피크인 (31#) 회절 피크의 반치폭과 469 nm에 중심을 둔 강한 청색 형광 세기의 상관 관계를 나타낸 것이다. 전반적으로 (31#) 회절 피크의 반치폭과 청색 형광체의 발광 세기가 서로 비례하는 관계를 나타내었으며, Ce3+의 농도가 0.10 mol인 형광체 시료가 가장 우수한 형광 효율을 나타냄을 볼 수 있었다. 이 결과로부터, 형광체의 발광 세기는 활성체인 Ce3+의 농도와 서로 밀접하게 관련되어 있음을 알 수 있다.
하소 온도 1,000℃에서 합성한 분말의 경우에 590 nm에 피크를 갖는 YAG의 발광과 613 nm에 피크를 갖는 Y4Al2O9 (YAM)에 의한 발광을 동시에 관측하였다. 하소 온도가 1,400℃로 증가함에 따라 YAG의 발광 세기는 더욱 증가하였으나 YAM의 발광 세기는 현저히 감소함을 관측하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
란탄 계열 이온이 도핑된 형광체 분말은 어떤 특성을 가지고 있나?
이러한 형광체에서 관측되는 발광 현상은 활성체로 첨가된 3가의 양이온인 란탄 계열 이온의 f-f 혹은 f-d 전이에 의하여 발생하며, 발광 신호의 세기는 모체 결정의 특성과 자리(site) 대칭성에 의존한다. 일반적으로 란탄 계열 이온이 도핑된 형광체 분말은 덩어리로 뭉쳐지지 않고, 크기 분포가 좁고, 비교적 규칙적인 형태를 보여 우수한 발광 특성을 갖는 것으로 보고되고 있다 [3].
란탄 계열 원소(lanthanide)가 도핑된 형광체가 발광 물질로 주목받는 이유는?
란탄 계열 원소(lanthanide)가 도핑된 형광체는 진공 자외선(vacuum ultraviolet)으로 여기될 때 높은 발광 효율과 우수한 색 순도를 나타내기 때문에 평판 디스플레이, 형광램프와 플라즈마 디스플레이 패널(plasma display panel, PDP)에 사용할 수 있는 발광 물질로 주목받고 있다 [1-2]. 이러한 형광체에서 관측되는 발광 현상은 활성체로 첨가된 3가의 양이온인 란탄 계열 이온의 f-f 혹은 f-d 전이에 의하여 발생하며, 발광 신호의 세기는 모체 결정의 특성과 자리(site) 대칭성에 의존한다.
란탄 계열 원소(lanthanide)가 도핑된 형광체에서 관측되는 발광 현상은 무엇에 의해 발생하는가?
란탄 계열 원소(lanthanide)가 도핑된 형광체는 진공 자외선(vacuum ultraviolet)으로 여기될 때 높은 발광 효율과 우수한 색 순도를 나타내기 때문에 평판 디스플레이, 형광램프와 플라즈마 디스플레이 패널(plasma display panel, PDP)에 사용할 수 있는 발광 물질로 주목받고 있다 [1-2]. 이러한 형광체에서 관측되는 발광 현상은 활성체로 첨가된 3가의 양이온인 란탄 계열 이온의 f-f 혹은 f-d 전이에 의하여 발생하며, 발광 신호의 세기는 모체 결정의 특성과 자리(site) 대칭성에 의존한다. 일반적으로 란탄 계열 이온이 도핑된 형광체 분말은 덩어리로 뭉쳐지지 않고, 크기 분포가 좁고, 비교적 규칙적인 형태를 보여 우수한 발광 특성을 갖는 것으로 보고되고 있다 [3].
참고문헌 (14)
J. Zhang and J. Lin, J. Cryst. Growth 271, 207(2004).
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