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분무열분해법으로 제조된 SrAl2O4:Ho3+ 녹색 형광체의 발광특성
Luminescence Characterization of SrAl2O4:Ho3+ Green Phosphor Prepared by Spray Pyrolysis 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.53 no.5, 2015년, pp.620 - 626  

정경열 (공주대학교 화학공학부) ,  김우현 (공주대학교 화학공학부)

초록
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$Ho^{3+}$가 도핑된 $SrAl_2O_4$ 상향전환 형광체 분말을 분무열분해법으로 제조하고 활성제의 농도, 후 열처리 온도 변화에 따른 결정학적 구조와 발광 특성을 조사하였다. 또한 유기 첨가제 사용에 따른 형광체의 결정구조, 표면적 및 휘도 변화를 조사하였다. $SrAl_2O_4:Ho^{3+}$$Ho^{3+}$$^5F_4/^5S_2{\rightarrow}^5I_8$ 전이에 기인한 강한 녹색 발광을 보였다. 가장 높은 발광 강도를 보이는 $Ho^{3+}$ 농도는 0.1%였고, 그 이상의 농도에서는 활성 이온간 쌍극자-쌍극자 상호 작용에 의에 농도소강이 일어나 발광 휘도는 급격히 감소하였다. 여기 광원의 전력 세기에 따른 발광 휘도 변화 관찰로부터 $SrAl_2O_4:Ho^{3+}$의 녹색 발광은 2광자가 관여된 바닥상태흡수-여기상태흡수 과정을 통해 효율적으로 일어남이 확인되었다. 합성된 분말의 주상은 단사정계이고 일부 육방정계 상이 존재하였다. 후 열처리 온도를 $1000^{\circ}C$에서 $1350^{\circ}C$로 증가시킴에 따라 $SrAl_2O_4:Ho^{3+}$는 육방정계 상이 줄어 들면서 단상정계의 결정성이 향상되었다. 그러나 $1350^{\circ}C$에서도 일부 육방정계 상은 존재하였다. 구연산(CA)과 에틸렌 글리콜(EG)을 첨가해준 분무 용액으로부터 제조한 경우, 육방정계 상이 없는 순수한 단사정계 상으로 향상된 결정성을 가지는 $SrAl_2O_4:Ho^{3+}$가 제조되었다. 또한 유기 첨가제와 함께 N,N-Dimethylformamide(DMF)를 분무용액에 넣어 줌으로써 형광체의 표면적을 크게 감소시킬 수 있었다. 그 결과 CA/EG/DMF를 넣고 제조한 $SrAl_2O_4:Ho^{3+}$ 형광체는 유기 첨가물 없이 제조한 형광체에 비해 발광 휘도가 약 168% 향상되었다. 이러한 휘도 증대는 $SrAl_2O_4:Ho^{3+}$ 형광체의 결정상이 순수해졌고, 결정성 증대와 표면 결함을 최소화시킨 결과라고 결론지었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

$Ho^{3+}$ doped $SrAl_2O_4$ upconversion phosphor powders were synthesized by spray pyrolysis, and the crystallographic properties and luminescence characteristics were examined by varying activator concentrations and heattreatment temperatures. The effect of organic additives ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 SrAl2O4:Ho3+ UC 형광체를 분무열분해법으로 제조하였고, 활성제인 Ho3+농도 및 후열처리 온도가 발광 강도에 미치는 영향, 농도 소강 및 UC 발광 메커니즘에 대해 조사하였다. 또한 유기 첨가제를 분무용액에 첨가하여 발광 휘도를 개선시키는 연구를 수행하였다.
  • 이때문에 분무열분해법이 다양한 형광체 제조에 이용되고 있다[16-21]. 본 연구에서는 SrAl2O4:Ho3+ UC 형광체를 분무열분해법으로 제조하였고, 활성제인 Ho3+농도 및 후열처리 온도가 발광 강도에 미치는 영향, 농도 소강 및 UC 발광 메커니즘에 대해 조사하였다. 또한 유기 첨가제를 분무용액에 첨가하여 발광 휘도를 개선시키는 연구를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 SrAl2O4:Ho3+ UC 형광체를 합성하고 발광 특성을 조사하였다. 형광체의 발광 특성은 합성법에 따라 차이를 가지는데 불순물 상 없이 높은 결정성의 모체를 제조하는 것이 중요하다.
  • 따라서 후 열처리를 통해 높은 결정성을 갖는 분말을 만듦과 동시에 Ho3+ 이온을 결정 격자 내로 치환시켜 활성화를 시키는 것이 필요하다. 본 연구에서는 합성된 전구체분말을 1000 ℃에서 1350 ℃까지 후 열처리 온도를 변화시키면서 발광특성을 조사하였다. Fig.

가설 설정

  • (a) Emission spectra of SrAl2O4:Ho0.0013+ phosphors calcined at 1200 ℃ and (b) Ln-Ln plot of emission intensity as a function of pumping power.
  • 4. (a) Emission spectra for SrAl2O4:Ho3+ UCPs prepared with changing the content of Ho3+ and (b) changes in the intensity of green emission as a function of Ho3+ concentration.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
형광체란 무엇인가? 형광체는 외부로부터 에너지를 흡수하여 고유의 가시광선을 내는 물질로 모체와 활성제로 구성되며 여기 에너지원에 따라 다양한 응용처를 가지고 있다. 발광 색과 휘도는 모체의 조성과 활성제의 종류에 크게 영향을 받으며 응용분야에 따라 최적의 모체와 활성제를 찾는 것이 중요하다.
UC 형광체의 활성제로 주로 이용되는 것은 무엇인가? UC 현상은 1960년대 발견되었지만[2], 연구는 1990년대 980 nm 고출력 InGaAs 레이저 다이오드가 개발되면서 가속화 되어왔다. UC 형광체의 활성제로는 란탄 계열의 Tm3+, Er3+, Ho3+ 등이 주로 이용되고 증감제로 Yb3+를 사용한다[2-4]. UC 현상은 비선형 anti-Stokes shift에 기인한 것으로 낮은 에너지의 빛이 2번 이상의 여기 과정을 통해 낮은 에너지의 광자를 높은 에너지의 광자로 방출하는 것을 말한다[5].
upconversion(UC) 형광체의 응용처는 무엇인가? 최근 긴 파장의 근적외선(near infrared, NIR)를 짧은 파장의 가시광으로 전환시킬 수 있는 upconversion(UC) 형광체가 많은 관심을 받고 있다. 이는 UC 형광체가 3차원 디스플레이, 광저장장치, 의료진단, 센서, 태양전지, 보안잉크 등 다양한 응용처를 가지기 때문이다[1].
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참고문헌 (25)

  1. Hasse, M. and Schafer, H., "Upconverting Nanoparticles," Angw. Chem. Int. Ed., 50, 5808-5829(2011). 

  2. Li, X., Zhang, F. and Zhao D., "Highly Efficient Lanthanide Upconverting Nanomaterials: Progress and challenges," Nano Today, 8, 643-676(2013). 

  3. DaCosta, M. V., Doughan, S., Han, Y. and Krull, U. J., "Lanthanide Upconversion Nanoparticles and Application in Bioassays and Bioimaging: A Review," Anal. Chim. Acta, 832, 1-33(2014). 

  4. Sun, Q.-C., Mundoor, H., Ribot, J. C., Singh, V., Smalyukh, I. I. and Nagpal, P., "Plasmon-enhanced Energy Transfer for Improved Upconversion of Infrared Radiation in Doped-lanthanide Nanocrystals," Nano Lett., 14, 101-106(2014). 

  5. Auzel F., "Upconversion and Anti-stokes Processes with f and d ions in Solids," Chem. Rev., 104, 139-173(2004). 

  6. Jiao, Y., Gao, X., Lu, J., Chen, Y., He, W., Chen, X., Li, X. and Li, R., "Hydrothermal Synthesis of the Intense Green Photoluminescence of Hexagonal Phase $NaYF_4$ : $Yb^{3+}$ / $Er^{3+}$ Microcrystals," J. Alloys Comp., 549, 245-253(2013). 

  7. Zeng, J.-H., Su, J., Li, Z.-H., Yan, R.-X. and Li, Y.-D., "Synthesis and Upconversion Luminescence of Hexagonal-phase $NaYF_4$ :Yb, $Er^{3+}$ Phosphors of Controlled Size and Morphology," Adv. Mater., 17, 2119-2123(2005). 

  8. Wang, Z., Gu, F., Wang, Z. and Han, D., "Solvothermal Synthesis of $CeO_2$ :Er/Yb Nanorods and Upconversion Luminescence Charac-terization," Mater. Res. Bull., 53, 141-144(2014). 

  9. Joshi, C., Rai, A., Dwivedi, Y. and Rai, S. B., "Color Tunable Emission from $(Gd_xY_{1-x})_2O_3$ : $Er^{3+}$ , $Yb^{3+}$ Phosphor Prepared by Combustion Method," J. Lumin., 132, 806-810(2012). 

  10. Singh, V., Rai, V. K., Al-Shamery, K., Haase, M. and Kim S. H., "NIR to Visible Frequency Upconversion in $Er^{3+}$ and $Yb^{3+}$ Codoped $ZrO_2$ Phosphor," Appl. Phys. A, 113, 747-753(2013). 

  11. Das, S., Reddy, A. A. and Prakash, G. V., "Strong Green Upconversion Emission from $Er^{3+}$ - $Yb^{3+}$ co-doped $KCaBO_3$ Phosphor," Chem. Phys. Lett., 504, 206-210(2011). 

  12. Shin, H., Ullah, S. and Chung K., "Effect of Nominal Substitution of $Dy^{3+}$ for Host Cations in $SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$ Phosphor on Phase Evolution and Long Afterglow Luminescence," J. Alloys Comp., 544, 181-187(2012). 

  13. Clabau, F., Rocquefelte, X., Jobic, S., Deniard, P., Whangbo, M.-H., Garcia, A. and Mercier, T. L., "Mechanism of Phosphorescence Appropriate for the Long-lasting Phosphors $Eu^{2+}$ -doped $SrAl_2O_4$ with Codopants $Dy^{3+}$ and $B^{3+}$ ," Chem. Mater., 17, 3904-3912(2005). 

  14. Chen, I.-C. and Chen, T.-M., "Sol-gel Synthesis and the Effect of Boron Addition on the Phosphorescent Properties of $SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$ , $Dy^ {3+}$ Phosphors," J. Mater. Res., 16, 644-651(2001). 

  15. Rakov, N. G. and Maciel, G. S., "Infrared-to-visible Frequency Upconversion in $SrAl_2O_4$ Powders Containing $Er^{3+}$ and $Yb^{3+}$ ," Appl. Phys. B, 98, 435-438(2010). 

  16. Kim, J. H. and Jung, K. Y., "Preparation and Luminescence Characterization of Find-sized $LaSr_2AlO_5$ :Ce Phosphor Prepared by Spray Pyrolysis," J. Lumin., 131, 1487-1491(2011). 

  17. Cho, J. S., Lee, S. M., Jung, K. Y. and Kang, Y. C., "Large-scale Production of Fine-sized $Zn_2SiO_4$ :Mn Phosphor Microspheres with a Dense Structure and Good Photoluminescence Properties by a Spray-drying Process," RSC Adv., 4, 43606-43611(2014). 

  18. Jung, K. Y., Lee, H. W., Kang, Y. C., Park, S. B. and Yang, Y. S., "Luminescent Properties of (Ba, Sr) $MgAl_{10}O_{17}$ :Mn,Eu Green Phosphor Prepared by Spray Pyrolysis Under VUV Excitation," Chem. Mater., 17, 2729-2734(2005). 

  19. Jung, K. Y., Lee, H. W. and Jung, H. K., "Luminescent Properties of (Sr,Zn) $Al_2O_4$ : $Eu^{2+}$ , $B^{3+}$ Particles as a Potential Green Phosphor for UV LEDs," Chem. Mater., 18, 2249-2255(2006). 

  20. Jung, K. Y., Lee, D. Y., Kang, Y. C. and Park, S. B., "Size-dependent Luminescent Properties of Hollow and Dense Ba $MgAl_{10}O_{17}$ :Eu Blue Phosphor Particles Prepared by Spray Pyrolysis," Korean J. Chem. Eng., 21, 1072-1080(2004). 

  21. Kim, M. N. and Jung, K. Y., "Synthesis and Luminescence Enhancement of Strontium Aluminate Green Phosphor Via Spray Pyrolysis," Korean Chem. Eng. Res., 49, 594-599(2011). 

  22. Henderson, C. M. B. and Taylor, D., "The structural Behavior of the Nepheline Family: (1) Sr and Ba Aluminate ( $Mal_2O_4$ )," Miner. Mag., 45, 111-127(1982). 

  23. Wang, D., Yin Q., Li, Y. and Wang, M., "Concentration Quenching of $Eu^{2+}$ in $SrO6Al_2O_3$ : $Eu^{2+}$ Phosphor," J. Mater. Sci., 37, 381-393(2002). 

  24. Jung, K. Y. and Jung, H.-K., "Luminescence Optimization of Eudoped $LnAl_3(BO_3)_4$ (LnY, Gd) Red Phosphor Using Spray Pyrolysis," J. Lumin., 130, 1970-1974(2010). 

  25. Wang, D., Yin, Q., Li, Y. and Wang, M., "Concentration Quenching of $Eu^{2+}$ in $SrOAl_2O_3$ : $Eu^{2+}$ Phosphor," J. Lumin., 97, 1-6(2002). 

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