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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 고 효율이면서 물리 화학적 안정성이 좋은 응용 가능한 새로운 물질을 찾는 것이 형광체 연구의 궁극적 목표이다. 본 연구에서도 몇 가지 새로운 RGB 형광체를 보고하였다.
• 이러한 경우 활성제 역할을 하는 호스트의 양이온과 첨가 활성이온이 독특한 분광학 특성을 나타내기도 한다. 본 연구에서는 K₂Y_1-xEu_xZr(PO₄)₂ (x=0~1)과 Na₂CaMg_1-xMn_x(PO₄)₂ (x=0~1)에 대한 연구에서 매우 흥미 있는 연구결과를 얻었다. K₂Y_1-xEu_xZr(PO₄)₂는 금속-산소 (Zr⁴⁺-O^2-) 전하전달 전이에 의한 강한 청색 형광을 방출하였고 양자효율이 26 %에 이르렀다.
• 그러므로 도핑된 희토류 이온이 격자의 어느 자리를 차지하는지에 대한 정보는 매우 중요한 사항이다. 본 연구에서는 사이트 선택 분광학으로 이러한 특성을 조사하였다. Fig.
• 기본적으로 LED 형광체는 CRT나 PDP 용 형광체와 마찬가지로 높은 효율, 안정성, 우수한 색 순도를 요구하지만 이를 실현하기 위한 조건에서는 차이가 있다. 이를 위하여 본 연구에서는 형광 발생의 기본원리와 형광체로서 기초적인 분광학 측정과 분석에 대해 기술하고 최근의 실험결과를 소개한다.
• 형광체 연구를 위한 형광원리와 방사 및 비방사 전이과정을 살펴보았으며 분광학 실험 결과를 소개하였다. 특성이 뛰어나면서 아직 알려지지 않는 새로운 형광체를 발견하는 것은 형광체를 연구하는 과학자들에게는 궁극적인 목표이다.

제안 방법

• ⁶⁾ NaMgPO₄에서도 4f⁷(⁶P_7/2) → 4f⁷(⁸S_7/2) 전이에 의한 선스펙트럼이 관찰되었으나 LiMgPO₄와에 비해 그 강도가 크게 약하였다.⁷⁾ Eu³⁺ 이온은 LiMgPO₄에 두 개의 양이온 Li 및 Mg 자리에 들어가는 것을 사이트 선택 레이저 분광학으로 확인하였다.⁸⁾ KCaPO₄:Eu²⁺에서 Eu²⁺ 형광의 특이한 온도 의존성을 관찰하였다.
• ⁷⁾ Eu³⁺ 이온은 LiMgPO₄에 두 개의 양이온 Li 및 Mg 자리에 들어가는 것을 사이트 선택 레이저 분광학으로 확인하였다.⁸⁾ KCaPO₄:Eu²⁺에서 Eu²⁺ 형광의 특이한 온도 의존성을 관찰하였다. 온도 증가에 의해 Eu²⁺ 방출 밴드는 일반적으로 알려진 것과는 달리 적색편이 현상을 보이지 않고 청색편이 현상을 보였다.
• 8) 3가 Eu의 제거로 양자 효율이 더 증가할 수 있다는 사실을 알 수 있었다. NaSrPO₄:Eu³⁺에서 매우 넓은 비균질 선폭의 형광을 관찰하였는데 (Fig. 9) KBaPO₄:Eu³⁺와 확연히 비교됨을 알 수 있었다.
• 그 외에 KMgPO4에서 온도에 따른 Eu²⁺ 형광의 수명시간의 비정상적 상승¹⁰⁾, 알칼리 금속 중 이온반경이 가장 큰 Cs를 포함한 CsMgPO₄에서 Eu²⁺ 형광의 매우 큰 스토크스 이동¹¹⁾을 관찰하였다. 결과들은 결정 구조, 에너지 준위, 이온-이온 상호작용 등으로 설명할 수 있었다.
• ²³⁾ 이 과정에서 형광 스펙트럼의 변화가 매우 크게 일어나 적색 형광의 조절이 매우 용이함을 알 수 있었다. 스펙트럼과 함께 형광의 시간 거동을 분석하여 결정구조와 에너지 확산의 관계를 규명하였다.
• 유사한 경우를 시험하기 위하여 SrMg2(PO4)2에 Zr4+와 Eu3+를 이중으로 도핑하여 형광특성을 조사하였으며 Zr4+ trap에 의한 긴 시간 (400 s)의 인광을 발견하는 성과를 얻을 수 있었다.
• ⁵⁾ ABPO₄ 화합물 중에서 LiMgPO₄는 Li 및 Mg 이온이 알칼리 금속과 알칼리 토류 금속 중에서 이온 반경이 가장 작은 조합이다. 이 물질에서 Eu²⁺ 이온은 Mg²⁺ 자리에 들어가는 것이 확인되었으며 인산염 물질에서는 지금까지 보고되지 않았던 Eu²⁺ 4f⁷(⁶P_7/2) - 4f⁷(⁸S_7/2) 전이에 의한 선스펙트럼(Fig. 7)을 관찰하였다. 이는 LiMgPO₄에 도핑된 Eu²⁺는 팔면체 MgO₆에 들어가 매우 약한 결정장 영향 아래에 있는 것을 의미한다.
• 형광체의 모체로서 인산염 ABPO₄(A⁺=알칼리금속이온, B²⁺=알칼리 토류 이온)에 대하여 특성을 조사하였다. ABPO₄는 A 및 B 이온의 이온반경에 따라 다양한 구조를 가진 물질 군으로 구분된다.

대상 데이터

• 우수한 형광체에서는 광활성 이온들이 가능하면 많은 입사 광자를 흡수하여 들떠야 하고 들뜬 이온들은 대부분 방출 광자를 생산해 내어야 한다. Fig. 1과 같은 청색 LED (450 nm, 100 mW/mm²)는 1초에 10¹⁷ 개의 광자를 YAG:Ce³⁺ 형광체에 쏟아 붇는다. YAG:Ce³⁺(1.

성능/효과

• 22) Na2CaMg1-xMnx(PO4)2 는 Mn의 농도가 증가할수록 monoclinic α상에서 tetragonal β상으로 단일상을 유지하면서 이동하였다.
• Ca₂RF₄PO₄:Eu³⁺ (R=Gd, Y)는 양자효율이 높고 농도소광이 우수하며 열적 안정상이 뛰어난 적색 형광체로서 지금까지 알려진 형광체와 비교하여 응용가능성이 매우 높은 것으로 확인되었다.²⁴⁾ 실험실에서 합성한 Ca₂GdF₄PO₄:Eu³⁺는 64 %, Ca₂YF₄PO₄:Eu³⁺는 48 %의 양자효율을 얻었다. 일반적으로 이와 같은 경우 합성방법을 개선하고 불순물을 제거하면 상용화가 가능한 한계까지 양자효율을 증가시킬 수 있을 것으로 생각된다.
• Eu₃BWO₉의 경우 근 자외선으로 여기한 적색형광의 효율은 상용화 되고 있는 Y₂O₂S:Eu³⁺보다 더 우수하였으며 이는 Eu³⁺ 이온의 격자 내 사이트 분포에 기인한다는 사실을 밝혔다.²⁵⁾ Ca9LiGd2/3(PO4)7:Eu³⁺는 진공자외선 영역에 강한 흡수 밴드를 확인하였다.
• 5) ABPO₄ 화합물 중에서 LiMgPO₄는 Li 및 Mg 이온이 알칼리 금속과 알칼리 토류 금속 중에서 이온 반경이 가장 작은 조합이다. 이 물질에서 Eu²⁺ 이온은 Mg²⁺ 자리에 들어가는 것이 확인되었으며 인산염 물질에서는 지금까지 보고되지 않았던 Eu²⁺ 4f⁷(⁶P_7/2) - 4f⁷(⁸S_7/2) 전이에 의한 선스펙트럼(Fig.
• 6) NaMgPO4에서도 4f7(6P7/2) → 4f7(8S7/2) 전이에 의한 선스펙트럼이 관찰되었으나 LiMgPO4와에 비해 그 강도가 크게 약하였다.
• ¹⁵⁾ 3가 Eu 이온을 시간 분해 스펙트럼으로 확인하였고 (Fig. 8) 3가 Eu의 제거로 양자 효율이 더 증가할 수 있다는 사실을 알 수 있었다. NaSrPO₄:Eu³⁺에서 매우 넓은 비균질 선폭의 형광을 관찰하였는데 (Fig.
• NaSrPO₄:Eu³⁺에서 매우 넓은 비균질 선폭의 형광을 관찰하였는데 (Fig. 9) KBaPO₄:Eu³⁺와 확연히 비교됨을 알 수 있었다.¹⁶⁾ 이와 같은 결과는 NaSrPO₄ 결정의 무질서 구조에 기인하는 것을 확인하였다.
• Ba과 Sr이 포함된 ABPO₄:Eu²⁺는 형광 방출에 있어서 매우 특이한 형광 밴드 이동, 선폭변화, 열적 소광을 보이고 높은 양자효율의 형광을 방출하였다. LiBaPO₄:Eu²⁺는 330 nm 여기에 의해 58%가 넘는 내부 양자효율과 열적 안정성을 보였다.
• 본 연구에서도 몇 가지 새로운 RGB 형광체를 보고하였다. Ca₂RF₄PO₄:Eu³⁺ (R=Gd, Y)는 양자효율이 높고 농도소광이 우수하며 열적 안정상이 뛰어난 적색 형광체로서 지금까지 알려진 형광체와 비교하여 응용가능성이 매우 높은 것으로 확인되었다.²⁴⁾ 실험실에서 합성한 Ca₂GdF₄PO₄:Eu³⁺는 64 %, Ca₂YF₄PO₄:Eu³⁺는 48 %의 양자효율을 얻었다.
• NaCaPO4:Eu2+에서 Eu2+ 형광은 매우 우수한 열적 안정성을 보였으며 백색 LED 형광체로서 가능성을 확인하였다.
• 결과들은 결정 구조, 에너지 준위, 이온-이온 상호작용 등으로 설명할 수 있었다. 근자외선 LED 여기에 의해 LiCaPO₄:Eu²⁺에서 고 효율의 청색 형광을 얻었으며 LED 형광체로서 응용가능성을 확인하였고,¹²⁾ NaBaPO₄:Eu²⁺는 뛰어난 열적 안정성을 보였다.^13,14)

후속연구

• 그러나 매우 복잡한 광학적 상호작용이 존재하여 어떤 요인이 형광체의 특성을 결정하는지 정확히 알기는 힘들다. 분광학 측정과 분석은 대상물질의 형광발생 과정을 이해하게하고 더 나은 형광체를 설계하는데 큰 도움이 될 것이다.

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질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
형광체 또는 형광물질	형광체 또는 형광물질이 주목받게 된 원인은?	형광체 또는 형광물질은 1960년대 초반 컬러텔레비전의 등장과 함께 폭발적인 관심을 끌게 되었다. 그 후 많은 연구 개발이 이루어졌으며 1970년대 후반 레이저 결정 연구와 함께 형광물질에 대한 관심이 정점에 이르렀다. 그리고 한동안 형광체 연구와 응용분야에 대한 기대가 잦아드는 듯하였다.
LED 형광체	LED 형광체 실현에 필요한 것은?	이 중에서도 LED 형광체는 최근 십여 년 동안 많은 진전이 있었지만 여전히 해결되지 않은 문제점이 있으며 개척해야 할 분야로 남아있다. 기본적으로 LED 형광체는 CRT나 PDP 용 형광체와 마찬가지로 높은 효율, 안정성, 우수한 색 순도를 요구하지만 이를 실현하기 위한 조건에서는 차이가 있다. 이를 위하여 본 연구에서는 형광 발생의 기본원리와 형광체로서 기초적인 분광학 측정과 분석에 대해 기술하고 최근의 실험결과를 소개한다.
형광체	형광체가 고효율의 형광을 방출하기 위한 조건은?	형광체 자신의 의무는 주어진 조건에서 고효율의 형광을 방출하는 것이다. 그러기 위하여 비방사 전이에 의한 손실을 최소화해야 한다 (Fig. 4a 참조).

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