$SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$,$Dy^{3+}$ phosphorescent phosphors were synthesized by skull melting method. The molar ratio of oxides in the phosphors synthesized by the skull melting technique was $SrCO_3$ : $Al(OH)_3$ : $Eu_2O_3$ : $D...
$SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$,$Dy^{3+}$ phosphorescent phosphors were synthesized by skull melting method. The molar ratio of oxides in the phosphors synthesized by the skull melting technique was $SrCO_3$ : $Al(OH)_3$ : $Eu_2O_3$ : $Dy_2O_3$= 1 : 2 : 0.015 : 0.02. Crystal structure and surface morphology were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) analysis. Optical properties of the synthesized $SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$,$Dy^{3+}$ were measured by photoluminescence (PL) spectrometer for in-depth study on the excitation, emission and afterglow properties. From the PL measurements, it was found that excitation occurred in the wavelength range from 300 to 420 nm with peak position at 360 nm. The emission spectrum showed a broad curve in the wavelength from 450 to 600 nm with peak position at 530 nm. $SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$,$Dy^{3+}$ phosphors exhibited afterglow properties with emission that lasted for a long period.
$SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$,$Dy^{3+}$ phosphorescent phosphors were synthesized by skull melting method. The molar ratio of oxides in the phosphors synthesized by the skull melting technique was $SrCO_3$ : $Al(OH)_3$ : $Eu_2O_3$ : $Dy_2O_3$= 1 : 2 : 0.015 : 0.02. Crystal structure and surface morphology were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) analysis. Optical properties of the synthesized $SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$,$Dy^{3+}$ were measured by photoluminescence (PL) spectrometer for in-depth study on the excitation, emission and afterglow properties. From the PL measurements, it was found that excitation occurred in the wavelength range from 300 to 420 nm with peak position at 360 nm. The emission spectrum showed a broad curve in the wavelength from 450 to 600 nm with peak position at 530 nm. $SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$,$Dy^{3+}$ phosphors exhibited afterglow properties with emission that lasted for a long period.
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제안 방법
하소한 원료는 냉각도가니에 충진시키고 고주파 유도가열을 이용하여 용융시켰다. 산화물은 상온에서는 비저항이 높기 때문에 유도가열에 의한 가열이 어려움으로 원료의 초기 가열을 위해 카본링을 원료 중앙에 위치 시켰다. 고주파 유도가열기에 파워를 인가한 후 20분만에 커플링(coupling)이 일어났으며, 원료가 완전히 용융 되는 시간은 30분 정도 소요되었다.
출발원료를 SrCO3 : Al(OH)3 = 1 : 2, Eu2O3 : Dy2O3 = 0.015 : 0.02mol%로 추가하여 Skull melting법으로 SrAl2O4 : Eu2+, Dy3+축광성 형광체를 합성하였다. 고주파 유도가열 기는 2turn 코일을 사용, 출력 주파수는 3.
4 MHz 이다. 합성한 ingot은 미분쇄하여 XRD(X-Ray Diffraction) 측정을 통해 결정구조를 분석하였으며, SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 형상을 관찰, Photoluminescence를 사용하여 여기 및 발광스펙트럼을 측정 하였다. Fig.
대상 데이터
출발원료로 Table 1에서와 같이 SrCO3 : Al(OH)3 을1 : 2 mol% 비율로 하였으며, 부활제(activator)로 Eu2O3은 0.015 mol%, 공부활제(coactivator)로 Dy2O3을 0.02mol%로 하여 총 2 kg을 준비하였다. 준비한 원료는 2시간 동안 ball mill한 후 1000oC에서 4시간 동안 하소하였다.
이론/모형
하지만 분말형태의 축광성 물질들은 사용적인 부분에서 한정되고, 수분에 의하여 휘도가 저하되는 단점이 있다. 본 연구에서는 보다 안정적인 결정을 성장시키기 위하여 고주파 유도가열에 의한 Skull melting법을 사용하였다[9, 10]. Skull melting법은 기존의 합성법에 비해 원료 준비 과정이 비교적 간단하고, 자체 도가니(self-crucible) 가 형성되므로 도가니로부터의 오염이 비교적 적다.
성능/효과
XRD 분석으로 얻어진 평균 격자상수는 a = 8.4346, b = 8.8214, c = 5.1616 Å이며, α 및 γ = 90o , β = 93.46o로 측정되었으며, 체적 값은 V = 383.68 Å 3 으로 JCPDF의 monoclinic 체적 값(V = 383.797 Å 3 )과 거의 일치하였다.
8은 skull melting법으로 합성된 ingot을 태양광에 20분 노출시킨 후, 암실에서 시간에 따른 발광의 모습을 보여준다. 시간이 지남에 따라서 발광의 강도가 점차 감소하는 것을 확인하였고, 2시간 이상 발광하며 장잔광이 유지되는 것을 확인하였다.
여기 및 발광 특성검사에서는 Eu2+가 4f7→ 4f65d1으로, 또는 4f65d1 → 4f7 천이됨에 따른 280~450 nm에서의 여기 및 450~600 nm의 발광특성이 측정되었으며, 여기스펙트럼의 중심파장은 370 nm, 최대 발광 510 nm에 나타났다.
광원을 제거 후 급격히 잔광강도가 줄어 들지만 그 이후로 600초 이상 잔광이 유지되는 것을 볼 수 있다. 육안으로 관측할 수 있는 휘도가 0.32 mcd/m2 인 점을 감안한다면 매우 오랜 시간 동안 잔광이 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 잔광형상의 원인은 전자가 기저상태인 4f7에서 4f65d1 로 여기 된 후 바로 4f7 상태로 바로 천이되지 않고 정공(hole)에 포획(trapping)되는 현상으로, 즉 부활제인 Eu2+가 doner로, 공부활제인 Dy3+는 acceptor로 에너지준위가 생성되어, 에너지를 받은 전자는 여기 상태에서 hole center와 재결합하면서 발광하며 여기 후 포획된 정공이 느린 속도로 해방되면서 평행 상태까지 도달하는 시간이 오래 소요되기 때문이다[12, 13].
합성된 잉곳은 XRD를 측정한 결과 monoclinic 상의 SrAl2O4임을 확인하였으며, 평균 격자상수는 a = 8.4346, b = 8.8214, c = 5.1616 Å이며, α 및 γ = 90o, β = 93.46o 로 측정되었다.
후속연구
축광성 형광체 합성은 기존의 방법들(수열법, 졸겔법, 고상반응법)에 비해 원료 준비과정이 비교적 간단하며, 합성시간 또한 빠르다는 장점이 있다. 다만 향 후 실험에서 보다 적절한주파수 설정 및 융액 상태 유지를 통해 카본을 휘발 시킨 다면 보다 양질의 형광체를 얻을 수 있다 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
축광이란 무엇인가?
특히 SrAl2O4 : Eu2+ ,Dy3+ 는 초기에 램프와 음극선관(CRT) 등에 응용하고자 연구되었으며, 최근에는 도자기, 타일 등과 같은 요업분야에 사용되고 있다[1, 2]. 축광이란 전등이나 태양광 등의 에너지를 흡수하여 이 에너지를 어두운 곳에서 발광하는 것으로, 이를 지속적으로 반복할 수 있는 특성을 가지고 있다[3]. 대표적인 축광성 형광체는, 황화물계 축광성 재료인데 이는 대기 중에서 습기와 탄산가스에 불안정하며, 유해원소들을 포함하고 있어 환경적으로 문제점이 있다.
고주파 유도가열에 의한 Skull melting법이 갖는 장점은 무엇인가?
본 연구에서는 보다 안정적인 결정을 성장시키기 위하여 고주파 유도가열에 의한 Skull melting법을 사용하였다[9, 10]. Skull melting법은 기존의 합성법에 비해 원료 준비 과정이 비교적 간단하고, 자체 도가니(self-crucible) 가 형성되므로 도가니로부터의 오염이 비교적 적다. 그리고 온도 제한이 없고, 원료의 가열시간이 짧다는 장점이 있다.
대표적인 축광성 형광체인 황화물계 축광성 재료가 갖는 문제점은 무엇인가?
축광이란 전등이나 태양광 등의 에너지를 흡수하여 이 에너지를 어두운 곳에서 발광하는 것으로, 이를 지속적으로 반복할 수 있는 특성을 가지고 있다[3]. 대표적인 축광성 형광체는, 황화물계 축광성 재료인데 이는 대기 중에서 습기와 탄산가스에 불안정하며, 유해원소들을 포함하고 있어 환경적으로 문제점이 있다. 이에 환경적, 화학적으로 안정한 산화물계 축광성 형광체에 대한 개발이 꾸준히 진행되고 있으며, 아울러 발광 특성과 발광 메카니즘 향상을 위한 연구도 진행되고 있다[4, 5].
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