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RF 열플라즈마를 이용한 Y2O3:Eu3+ 적색 나노 형광체 분말 합성
Synthesis and characterization of Y2O3 : Eu3+ red nano phosphor powders using RF thermal plasma 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.25 no.6, 2015년, pp.272 - 279  

이승용 (한국세라믹기술원 이천분원) ,  구상만 (한양대학교 화학공학과) ,  황광택 (한국세라믹기술원 이천분원) ,  김진호 (한국세라믹기술원 이천분원) ,  한규성 (한국세라믹기술원 이천분원)

초록
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$Y_2O_3:Eu^{3+}$는 우수한 적색 발광 특성을 가지고 있는 형광체로 최근 고화질 디스플레이에 대한 수요가 증가함에 따라 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 RF 열플라즈마 합성법과 고상법을 이용하여 $Y_2O_3:Eu^{3+}$ 적색 형광체를 합성하였으며, 합성 방법에 따른 $Y_2O_3:Eu^{3+}$ 적색 형광체의 결정 구조, 미세 구조, 발광 특성의 차이를 XRD, TEM, PL 분석을 통해 비교하였다. 고상법으로 합성된 $Y_2O_3:Eu^{3+}$ 적색 형광체의 입자는 약 $10{\sim}20{\mu}m$ 크기를 가지는 반면, RF 열플라즈마 합성법을 통해 합성된 적색 형광체는 반응부는 약 100 nm, 필터부는 약 30 nm의 크기를 갖는 나노 형광체로 확인되었다. 합성된 모든 분말들은 PL 측정결과 611 nm($^5D_0{\rightarrow}^7F_2$)에서 발광하는 것을 확인하였으며, 결정 크기와 입도가 증가할수록 PL intensity가 증가하였다. 또한, 추가 열처리 공정이 필요 없는 one-step 공정의 RF 열플라즈마 공정을 통해 합성된 $Y_2O_3:Eu^{3+}$ 적색 나노 형광체는 고상법으로 합성된 적색 형광체와 비슷한 발광 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

$Y_2O_3:Eu^{3+}$ is an excellent red-emitting phosphor, which has been widely used for display devices due to highly luminescent property and chemical stability. In this study, $Y_2O_3:Eu^{3+}$ red phosphors were prepared using the solid state reaction and RF thermal plasma syn...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 RF 열플라즈마 합성법을 이용하여 Y2O3: Eu3+ 적색 나노 형광체를 합성 가능성을 확인하였고 고상합성법으로 제조된 Y2O3: Eu3+ 적색 형광체 분말과 비교하였다. 고상합성법으로 제조된 Y2O3: Eu3+ 적색 형광체는 1000oC 이하의 열처리 온도에서 적색 발광 특성을 저하시키는 monoclinic Y2O3가 관찰되었으나, 열처리 온도가 증가됨에 따라 Cubic Y2O3의 단일상이 확인되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
나노 형광체 제조 방법중 액상합성법의 단점은? Lee 등은 액상합성법에 의해 나노 크기의 Y2O3: Eu3+ 적색 형광체 분말을 제조하였고, 합성된 분말은 구형의 형상과 치밀한 구조를 가져 우수한 발광 특성을 가진다고 보고하였다[13]. 그러나 액상합성법으로 제조된 나노 형광체도 고발광 휘도 특성을 얻기 위해서는 형광체의 결정성이 매우 중요하기 때문에 고온에서의 후열처리가 필수적이며, 이 과정에서 분말의 응집 현상을 방지하기가 매우 어렵다. 또한 기상 합성법인 분무열분해법의 경우 100 nm 이하의 입도를 가지는 미세 분말 합성이 가능하여 나노 형광체 연구에 많이 사용되고 있으나, 합성된 형광체 분말의 조성이 다소 불균일하고 양산성 확보가 힘든 문제점을 가지고 있다[14, 15].
디스플레이에 사용되는 형광체의 합성 방법은 무엇인가? 기존에 알려진 형광체의 합성 방법은 여러 가지가 있으나, 현재 디스플레이에 사용되는 형광체 입자는 대부분 고상합성법에 의해 제조되고 있다. 고상합성법은 공정이 단순하여 대량 생산에 적합한 반면, 높은 반응 온도로 인해 분말 입도 및 형상 제어가 어려워 나노 크기의 분말을 합성하기 힘든 단점이 있다[8].
나노 형광체의 장점은? Rho 등은 ZnS : Mn 나노 형광체의 입도가 나노 크기로 점점 감소하면서 광학적 특성을 포함한 여러 가지 물리적 특성이 크게 변화한다고 보고하였다[5]. 나노 형광체는 작은 입자 크기로 인해 전자와 정공의 재결합 거동을 효과적으로 제어할 수 있고, 형광체의 잔광 시간 감소와 더불어 발광 효율과 색도를 동시에 개선시킬 수 있는 장점이 있다[5-8]. 또한 위와 같은 나노 형광체의 미세한 입자 크기는 디스플레이로의 응용에 있어 보다 얇고 치밀한 고효율의 형광막으로 제조될 수 있어 최종적으로 디스플레이의 성능을 향상시키는데 기여할 수 있다[9].
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참고문헌 (21)

  1. Y. Sun, L. Qi, M, Lee, B.I. Lee, W.D. Samuels and G.J. Exarhos, "Photoluminescent properties of $Y_2O_3$ : $Eu^{3+}$ phosphors prepared via urea precipitation in non-aqueous solution", J. Lumin. 109 (2004) 85. 

  2. V.A Bolchouchine, E.T Goldburt, B.N Levonovitch, V.N Litchmanova and N.P Sochtine, "Designed, highly-efficient FED phosphors and screens", J. Lumin. 87 (2000) 1277. 

  3. S.V. Zaitsev, Yu.V. Yermolayeva, A.N. Gruzintsev, E.A. Kudrenko, I.I. Zverkova, O. Bezkrovnyi, A.V. Tolmachev and G.A. Emelchenko, "Geometry effect on spontaneous emission decay in nano-sized $Y_2O_3$ - $Eu^{3+}$ particles", J. Opt. Mater. 37 (2014) 714. 

  4. W.F. Chen, Y.P. Tong, Y. Liu, M. Liu, Y.C. Lin, B. Gong, Z.S. Cai and X.L. Zhong, "Facile synthesis and luminescent properties of $Y_2O_3$ : $Eu^{3+}$ nanophosphors via thermal decomposition of co-crystallized yttrium europium propionates", Ceram. Int. 39 (2012) 3741. 

  5. H.S. Roh, C.H. Lee, H.S. Yoon, Y.C. Kang, H.D. Park and S.B. Park, "Spherical-shaped $Zn_2SiO_4$ : Mn phosphor particles with $Gd(^{3+})/Li(^+)$ codopant", Korean Chem. Eng. Res. 40 (2002) 752. 

  6. Y.H. Wang, Y.Y. Zuo and H. Gao, "Luminescence properties of nanocrystalline $YVO_4$ : $Eu^{3+}$ under UV and VUV excitation", Mater. Res. Bull. 41 (2006) 2147. 

  7. L.P. Li, M.L. Zhao, W.M. Tong, X.F. Guan, G.S. Li and L.S. Yang, "Preparation of cereal-like $YVO_4$ : $Ln^{3+}$ (LnSm, Eu, Tb, Dy) for high quantum efficiency photoluminescence", Nanotechnology 21 (2010) 19. 

  8. Y.H. Zhou and J. Lin, "Morphology control and luminescence properties of $YVO_4$ : Eu phosphors prepared by spray pyrolysis", Opt. Mater. 27 (2005) 1426. 

  9. S.M. Hwang, J.B. Lee, S.H. Kim and J.H. Ryu, "A review on inorganic phosphor materials for white LEDs", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 20 (2012) 233. 

  10. Z.Y. Hou, P.P. Yang, C.X. Li, L.L. Wang, H.Z. Lian, Z.W. Quan and J. Lin, "Preparation and luminescence properties of $YVO_4$ : Ln and $Y(V, P)O_4$ : Ln (Ln $Eu^{3+}$ , $Sm^{3+}$ , $Dy^{3+}$ ) nanofibers and microbelts by sol-gel/electrospinning process", Chem. Mater. 20 (2008) 6686. 

  11. X.C. Wu, Y.R. Tao, C.Y. Song, C.J. Mao, L. Dong and J.J. Zhu, "Morphological control and luminescent properties of $YVO_4$ : Eu nanocrystals", J. Phys. Chem. B 110 (2006) 15791. 

  12. A. Huignard, V. Buissette, G. Laurent, T. Gacoin and J.P. Boilot, "Synthesis and characterizations of $YVO_4$ : Eu colloids", Chem. Mater. 14 (2002) 2264. 

  13. M.H. Lee, S.G. Oh and S.C. Yi, "Preparation of Eudoped $Y_2O_3$ luminescent nanoparticles in nonionic reverse microemulsions", J. Colloid Interface Sci. 226 (2000) 65. 

  14. N. Vu, T.K. Anh, G.C. Yi and W. Strek, "Photoluminescence and cathodoluminescence properties of $Y_2O_3$ : Eu nanophosphors prepared by combustion synthesis", J. Lumin. 122-123 (2007) 776. 

  15. A. Konrad, T. Fries, A. Gahn, F. Kummer, U. Herr, R. Tidecks and K. Samwer, "Chemical vapor synthesis and luminescence properties of nanocrystalline cubic $Y_2O_3$ : Eu", J. Appl. Phys. 86 (1999) 3129. 

  16. G. Chadeyron, R. Mahiou, M. EL-Ghozzi, A. Arbus, D. Zambon and J.C. Cousseins, "Luminescence of the orthoborate $YBO_3$ : $Eu^{3+}$ ", J. Lumin. 564 (1997) 72. 

  17. J.H. Seo, M.Y. Lee and J.S. Kim "Radio-frequency thermal plasma preparation of nano-sized Ni catalysts supported on MgO nano-rods for partial oxidation of methane", Surf. Coat. Technol. 228 (2013) 91. 

  18. Z. Karoly, I. Mohai, Sz. Klebert, A. Keszler, I.E. Sajo and J. Szepvolgyi, "Synthesis of SiC powder by RF plasma technique", Powder Technol. 214 (2011) 300. 

  19. Y.H. Chung, S.T. Park, K.W. Jang, Y.I. Lee and H.J. Seo, "Optical properties and crystal structure of $Eu^{3+}$ -doped $Y_2O_3$ crystals prepared under different conditions and with different methods", J. Korean Phys. Soc. 42 (2003) 543. 

  20. Y.D. Jiang, Z.L. Wang, F. Zhang, H.G. Paris and C.J. Summers, "Synthesis and characterization of $Y_2O_3$ : $Eu^{3+}$ phosphor by a hydrolysis technique", J. Mater. Res. 13 (1998) 2950. 

  21. Y.H. Kim and J.Y. Kim, "Photoluminescent properties of red phosphor $(Y,Gd)_2O_2$ : Eu for plasma display panel synthesized by homogeneous precipitation method", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 10 (2000) 400. 

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