[논문]BiNbO4:RE3+ (RE = Dy, Eu, Sm, Tb) 형광체의 광학 특성

이상운; 조신호

doi:10.5695/jkise.2017.50.3.206

BiNbO4:RE3+ (RE = Dy, Eu, Sm, Tb) 형광체의 광학 특성
Photoluminescence Properties of BiNbO4:RE3+ (RE = Dy, Eu, Sm, Tb) Phosphors 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.50 no.3, 2017년, pp.206 - 211

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$BiNbO_4:RE^{3+}$ (RE = Dy, Eu, Sm, Tb) phosphors were prepared by solid-state reaction at $1100^{\circ}C$ and their structural, photoluminescent, and morphological properties were investigated. XRD patterns exhibited that all the synthesized phosphors exhibited a triclinic system with a dominant (210) diffraction peak, irrespective of the type of activator ions. The surface morphologies of rare-earth-ion-doped $BiNbO_4$ phosphors were found to depend strongly on the type of activator ions. The $Eu^{3+}$ and $Dy^{3+}$ doped $BiNbO_4$ phosphors revealed a strong red (613 nm) emission resulting from the $^5D_0{\rightarrow}^7F_2$ transition of $Eu^{3+}$ and a dominant yellow (575 nm) emission originating from the $^4F_{9/2}{\rightarrow}^6H_{13/2}$ transition of $Dy^{3+}$ respectively, which were the electric dipole transitions, indicating that the activator ions occupy sites of non-inversion symmetry in the $BiNbO_4$ phosphor. The main reddish-orange emission spectra of $Sm^{3+}$-doped $BiNbO_4$ phosphors were due to the $^4G_{5/2}{\rightarrow}^6H_{7/2}$ (607 nm) magnetic dipole transition, indicating that the $Sm^{3+}$ ions were located at inversion symmetry sites in the $BiNbO_4$ host lattice. As for $Tb^{3+}$-doped phosphors, green emission was obtained under excitation at 353 nm and its CIE chromaticity coordinates were (0.274, 0.376). These results suggest that multicolor emission can be achieved by changing the type of activator ions incorporated into the $BiNbO_4$ host crystal.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 서로 다른 활성제 Dy³⁺, Eu³⁺, Sm³⁺, Tb³⁺ 이온이 도핑된 BiNbO₄ 형광체를 합성하여 활성제 이온이 형광체의 결정 구조, 발광과 흡광 파장, 발광 세기, 결정 입자의 크기와 형상, 모체 내에서 활성제 이온의 자리 대칭성에 미치는 효과를 조사하였다.

제안 방법

고상반응법을 사용하여 Dy³⁺, Eu³⁺, Sm³⁺, Tb³⁺ 이온이 각각 단일 도핑된 BiNbO₄ 형광체 분말을 합성하였다. XRD 측정 결과, 활성제 이온의 종류에 관계없이 모든 형광체 분말은 (210) 주 피크를 갖는 삼사정계이었다.
모체 결정에 다양한 활성제 이온을 도핑한 형광체 분말의 CIE (Commission Internationale de I’Eclairage) 1931 색 좌표 (x, y)를 나타낸 것이다. 색 좌표는 형광체 분말의 발광 스펙트럼 데이터를 기반으로 조사하였다. 그림 7에 표시된 숫자는 BiNbO₄ 모체 결정에 도핑된 활성제 (1) Tb³⁺, (2) Dy³⁺, (3) Sm³⁺, (4) Eu³⁺ 이온을 나타내며, BiNbO₄ 형광체의 색 좌표는 각각 (0.
초기 물질 Bi₂O₃ (순도: 99.9%), Nb₂O₅ (99.9%), Dy₂O₅ (99.9%), Eu₂O₃ (99.5%), Sm₂O₃ (99.9%) 와 Tb₄O₇ (99.9%)를 화학양론적으로 준비하여 고상반응법 (solid-state reaction)을 사용하여 네 종류의 BiNbO₄:Dy³⁺, BiNbO₄:Eu³⁺, BiNbO₄:Sm³⁺, BiNbO₄:Tb³⁺ 형광체를 합성하였다. 초기 물질의 정량은 정밀저울 (ABT220-4M, Kern)을 사용하여 측정한 후에, 적정 양의 에탄올과 지르코니아 볼과 함께 플라스틱 병에 넣고 12시간 동안 볼밀 (ball-mill) 작업과 70℃에서 10시간 동안 건조시킨 후에 아게이트 막자사발에서 갈아서 80 μm의 체로 걸러내고 각각 알루미나 도가니에 담아 박스형 전기로에 넣어 분당 4℃의 속도로 승온시켜 400℃에서 4시간 동안 하소 공정과 1100℃에서 5 시간 동안 소결하여 합성하였다.
초기 물질의 정량은 정밀저울 (ABT220-4M, Kern)을 사용하여 측정한 후에, 적정 양의 에탄올과 지르코니아 볼과 함께 플라스틱 병에 넣고 12시간 동안 볼밀 (ball-mill) 작업과 70℃에서 10시간 동안 건조시킨 후에 아게이트 막자사발에서 갈아서 80 μm의 체로 걸러내고 각각 알루미나 도가니에 담아 박스형 전기로에 넣어 분당 4℃의 속도로 승온시켜 400℃에서 4시간 동안 하소 공정과 1100℃에서 5 시간 동안 소결하여 합성하였다.
합성한 형광체 분말의 결정 구조는 X-선 회절법(X-ray diffraction: XRD, Ultima IV, Rigaku)을 사용하여 회절각 20 – 70° 영역에서 분당 4°의 스캔 속도로 측정하였고, 표면의 미세 형상과 결정 입자의 크기는 주사전자현미경 (SEM, CX-200, Coxem)으로 촬영하였다.
형광체의 발광 스펙트럼은 상기의 흡광 파장 중에서 가장 강한 흡광 세기를 나타내는 463 nm의 흡광 파장을 선택하여 형광체를 여기시켜 측정하였다.
합성한 형광체 분말의 결정 구조는 X-선 회절법(X-ray diffraction: XRD, Ultima IV, Rigaku)을 사용하여 회절각 20 – 70° 영역에서 분당 4°의 스캔 속도로 측정하였고, 표면의 미세 형상과 결정 입자의 크기는 주사전자현미경 (SEM, CX-200, Coxem)으로 촬영하였다. 흡광과 발광 특성은 상온에서 제논 램프를 광원으로 갖는 형광광도계 (FS-2, Scinco)를 사용하여 측정하였다.

대상 데이터

본 실험의 경우에, Dy3 이온의 4F9/2→6H13/2 (575 nm) 전기 쌍극자 전이에 의한 발광 세기가 4F9/2→6H11/2 (663 nm) 자기 쌍극자 전이에 의한 발광세기보다 26배 크기 때문에 BiNbO4 모체 격자 내에 위치하는 Dy3+ 이온은 반전 대칭을 갖지 않는 자리에 위치한다.
형광체의 발광 스펙트럼은 상기의 흡광 파장 중에서 가장 강한 흡광 세기를 나타내는 463 nm의 흡광 파장을 선택하여 형광체를 여기시켜 측정하였다. 형광체 분말은 613 nm에 피크를 갖는 발광 세기가 제일 강한 적주황색 발광 스펙트럼과 상대적으로 발광 세기가 약한 주황색 (593 nm), 두 적색 (651, 703 nm) 발광 스펙트럼으로 구성되었다. 여기서 613 nm의 적주황색 발광 스펙트럼은 ⁵D₀→⁷F₂ 전기 쌍극자 신호이며, 593 nm의 주황색 발광 스펙트럼은 ⁵D₀→⁷F₁ 자기 쌍극자 전이, 651 nm와 703 nm의 두 적색 발광 스펙트럼은 ⁵D₀→ ⁷F₃와 ⁵D₀→⁷F₄전기 쌍극자 전이에 의해 발생하였다[13-14].

성능/효과

형광체 분말을 합성하였다. XRD 측정 결과, 활성제 이온의 종류에 관계없이 모든 형광체 분말은 (210) 주 피크를 갖는 삼사정계이었다. 결정 입자의 형상과 크기는 활성제 이온의 종류에 따른 의존성을 보였다.
565, 607, 648, 712 nm에 발광 피크를 갖는 황색, 적주황색, 두 적색 발광 신호가 관측 되었는데, 이것은 ⁴G_5/2→⁶H_5/2 자기 쌍극자 전이, ⁴G_5/2→⁶H_7/2 자기 쌍극자 전이, ⁴G_5/2→⁶H_9/2 전기 쌍극자 전이, ⁴G_5/2→⁶H_11/2 전기 쌍극자 전이에 의하여 각각 발생하였다[16]. 본 실험에서는 607 nm의 적주황색 발광 스펙트럼의 세기가 최대이었다. ⁴G_5/2→⁶H_7/2 자기 쌍극자 전이에 의한 적주황색 발광 (607 nm)의 세기가 ⁴G_5/2→⁶H_9/2 전기 쌍극자 전이에 의한 적색 발광 (648 nm)의 세기에 비해 1.
전자의 주 피크는 (210)면에서 발생하였으며, 후자는 #, #, (020), #, #, #, # 면에서 발생한 회절 피크들이다. 상기의 결과로부터 합성한 형광체는 PDF 카드 #01-071-1518과 일치하는 삼사정계(triclinic system)의 결정 구조임을 확인하였다. 주 회절 피크인 (210)면의 세기는 Dy³⁺<Sm³⁺<Tb³⁺<Eu³⁺ 이온이 도핑된 순서로 증가하였으며, 반치폭(full width at half maximum)의 크기는 Eu³⁺=Sm³⁺<Tb³⁺<Dy³⁺ 순으로 증가하였다 [그림 1(b) 참조].
상기의 발광 스펙트럼 중에서 5D4→7F5 (544 nm) 자기 쌍극자 전이에 의한 녹색 발광 스펙트럼의 세기가 가장 강하였으며, 이것의 발광 세기는 Tb3+ 이온의 5D4→7F6 (488 nm) 전기 쌍극자 전이에 의한 청색 발광의 세기에 비해 1.7배 증가하였다.

후속연구

Tb³⁺ 이온의 경우에, 주 발광 스펙트럼은 ⁵D₄→⁷F₅ 자기 쌍극자 전이에 의한 544 nm의 녹색 발광이었다. 합성한 형광체 분말은 조명 분야에서 녹색, 황색, 적주황색, 적색 발광 소재로 응용 가능함을 제시한다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	형광체의 발광 파장은 어떤 인자에 의존성을 보이는가?	일반적으로 형광체의 발광 파장은 열 및 화학적으로 안정한 모체 결정에 도핑되는 활성제 이온의 종류, 도핑 농도, 소결 온도, 여기 광원의 파장에 상당한 의존성을 보이는 것으로 보고되고 있다[5]. Dabre 등[6]은 고상반응법을 사용하여 소결 온도 1500℃에서 다양한 활성제 이온을 도핑하여 이중 페로브스카이트 구조의 Sr2ZnWO6 형광체를 제조하였으며, Pr3+이 도핑된 Sr2ZnWO6 형광체의 경우에 491 nm와 499 nm에 최대 발광 세기를 갖는 청색 발광을 포함한 적색 영역에서 약한 다수의 발광 파장을 방출하였다.
	백색광 다이오드은 어떻게 제조되는가?	특히 발광 다이오드 (light emitting diode)는 친환경적이며 효율적인 에너지 저장 소자이므로 기존의 형광등과 백열등을 대체하는 광원으로 폭넓게 응용되고 있다. 현재 상업적으로 이용 가능한 백색광 다이오드는 청색 칩 (chip) 상부에 황색 형광체 분말을 도포하거나 혹은 기본 삼색인 적색, 녹색, 청색 (RGB)발광 형광체를 레진 (resin)을 사용하여 칩과 결합하여 제조하고 있다[3]. 그러므로, 발광 세기가 강한 백색광을 구현하기 위해서는 근적외선에서 청색에 이르는 넓은 파장 영역에서 빛을 흡수하고 RGB 삼색을 방출하는 새로운 형광체의 개발은 필연적이다.
	BiNbO4 형광체 분말에 Dy3+, Eu3+, Sm3+, Tb3+ 이온을 각각 단일 도핑한 경우 어떤 파장에서 발광을 나타냈는가?	결정 입자의 형상과 크기는 활성제 이온의 종류에 따른 의존성을 보였다. Dy3+ 이온이 도핑된 경우에, 주 흡광 파장은 388 nm 이었으며, 주 발광 스펙트럼은 4F9/2→6H13/2 전기 쌍극자 전이에 의한 575 nm의 황색 발광이었고, Eu3+ 이온이 도핑된 경우에, 주 흡광 파장 463 nm로 여기 시켰을 때 주 발광 스펙트럼은 5D0→7F2 전기 쌍극자 전이에 의하여 613 nm의 적주황색 발광이 관측되었다. Sm3+ 이온이 도핑된 형광체의 주 흡광 스펙트럼은 406 nm에서 발생하였고, 주 발광 스펙트럼은 4G5/2→6H7/2 자기 쌍극자 전이에 의한 607 nm의 적주황색 발광이었다. Tb3+ 이온의 경우에, 주 발광 스펙트럼은 5D4→7F5 자기 쌍극자 전이에 의한 544 nm의 녹색 발광이었다. 합성한 형광체 분말은 조명 분야에서 녹색, 황색, 적주황색, 적색 발광 소재로 응용 가능함을 제시한다

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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