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스컬용융법에 의한 SrAl2O4 : Eu+2,Dy+3 축광성 형광체 합성
Synthesis of long afterglow phosphor SrAl2O4 : Eu+2,Dy+3 by skull melting method 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.27 no.1, 2017년, pp.42 - 46  

류창민 (동신대학교 보석귀금속학과) ,  석정원 (동신대학교 보석귀금속학과)

초록
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스컬용융법으로 $SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$,$Dy^{3+}$ 형광체 합성을 하였으며, 합성한 형광체의 산화물 몰비는 $SrCO_3$ : $Al(OH)_3$ : $Eu_2O_3$ : $Dy_2O_3$= 1 : 2 : 0.015 : 0.02였다. 결정구조 및 표면 형상은 X-선 회절분석주사전자현미경으로 규명하였다. 합성한 $SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$,$Dy^{3+}$의 광학적 특성인 여기, 발광 및 장잔광 특성의 심도 있는 연구를 위해 PL(photoluminescence) 분광계로 측정하였다. PL 측정을 통해 360 nm 영역에서 여기(excitation)되고, 300~420 nm의 파장까지 여기가 일어남을 확인하였다. 발광(emission)스펙트럼은 450~600 nm의 파장에서 폭넓은 스펙트럼을 보였으며, 530 nm에서 최대 발광파장을 나타내었다. $SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$,$Dy^{3+}$ 형광체는 오랜 시간 동안 발광하는 장잔광 특성을 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

$SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+}$,$Dy^{3+}$ 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...

주제어

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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.
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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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참고문헌 (13)

  1. T.R.N. Kutty, R. Jagannathan and R.P. Rao, "Luminescence of $Eu^{2+}$ in strontium aluminates prepared by the hydrothermal method", Mat. Res. Bull. 25(11) (1990) 1355. 

  2. J.H. Kim, S.Y. Lee, T.H. Kim, K.S. Han, K.T. Hwang and W.S. Cho, "Thermal stability of $SrAl_{2}O_{4}\;:\;Eu^{2+},Dy^{3+}$ with long afterglow phosphorescence", J. Korean Ceram. Soc. 51(6) (2014) 618. 

  3. Y.Y. Choi, "Synthesis and characterization of long phosphorescent oxide phosphors activated with rare earth elements (in Korean)", Chonbuk National University, Jeonju (2004). 

  4. P. Boutinaud, D. Boyer, A. Perthue, R. Mahiou, E. Cavalli and M.G. Brik, "Spectroscopic investigations on $SrAl_2O_4$ polymorphs", J. Lumin. 159 (2015) 158. 

  5. Z. Yanan, P. Zengyuan, W. Jian, G. Mingqiao, S. Sijin, H. Zehua, Z. Jiahe, G. Jiaxin and J. Fusheng, "Effect of light conversion agent on luminous properties of a new down-converting material $SrAl_{2}O_{4}:\;Eu^{2+},Dy^{3+}$ /light conversion agent", J. of Rare Earths 34(5) (2016) 483. 

  6. L.K.S. de Herval, Y. Tuncer Arslanlar, M. Ayvacikli, F. Iikawa, J.A. Nobrega, P.S. Pizani, Y. Galvao Gobato, N. Can, M. Henini and M.P.F. de Godoy, "Enhancement of the luminescence intensity by co-doping $Mn^{2+}\;into\;Er^{3+}$ -doped $SrAl_2O_4$ ", J. Lumin. 163 (2015) 17. 

  7. A. Douy and M. Capron, "Crystallisation of spray-dried amorphous precursors in the SrO- $Al_2O_3$ system: a DSC study", J. Eur Ceram. Soc. 23(12) (2003) 2075. 

  8. H. Du, W. Shan, L. Wang, D. Xu, H. Yin, Y. Chen and D. Guo, "Optimization and complexing agent-assisted synthesis of green $SrAl_2O_4$ : $Eu^{2+},Dy^{3+}$ phosphors through sol-gel process", J. Lumin. 176 (2016) 272. 

  9. A. Baermann, W. Guse and H. Saalfeld, "Characterization of different $(Me,Zr)O_2$ single crystals grown by the "skull-melting" technique", J. Cryst. Growth 79(1) (1986) 331. 

  10. V.I. Aleksandrov, V.V. Osiko, V.M. Tatarintsev and V.T. Udovenchik, "Melting refractory dielectrics by direct high-frequency heating in a "cold" container", Izv. AKad. Nauk SSSR (2) (1973) 235. 

  11. A. Nag and T.R.N. Kutty, "Role of $B_2O_3$ on the phase stability and long phosphorescence of $SrAl_{2}O_{4}$ : Eu,Dy", J. Alloys and Comp. 354 (2003) 221. 

  12. J. Holsa, H. Jungner, M. Lastusaari and J. Niittykoski, "Persistent luminescence of $Eu^{2+}$ doped alkaline earth aluminates, $MAl_2O_4:\;Eu^{2+}$ ", J. of Alloy. Compd. 323 (2001) 326. 

  13. E. Nakazawa and T. Mochida, "Traps in $SrAl_{2}O_{4}\;:\;Eu^{2+}$ phosphor with rare-earth ion doping", J. Lumin. 72 (1997) 236. 

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