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문제 정의
- 본 리뷰 논문에서는 그림 1에 제시된 것과 같이 전산 재료과학기법을 통해 NaCa3PSiO8(NCPS)^ 구조를 결정하기 위한 준비 단계를 개략적으로 설명하고, 실질적인 Eif+가 치환된 NCPS 형광체(NCPSEiP)에 결정구조 결정법의 응용 예에 대해서 살펴보도록 하겠다.
제안 방법
- 살펴보았다. NCPS 결정구조 결정을 위해서 분말 회절 데이터 패턴을 색인화하고 그에 따른 데이터의 오차 범위를 조정하는 과정, 그리고 전산재료과학기법을 기반으로한 simulated annealing 프로그램을 통해 결정구조를 결정 할 수 있었다. 또한, 구조분석 기술을통해 결정구조의 공간군, 격자 매개변수와 Rietveld refinement 단계의 분석을 통하여최종적으로NCPS:Eu2+ 형광체의 회절 패턴 데이터를 해석하였다.
- NCPS 화합물의 결정구조를 해석하는 과정에서 EXPO 풀 패키지에 포함된 N-TREOR 프로그램을 이용하여 분말 X-선 회절 데이터를 색인화 하였다. 가능한 격자 매개변수와 공간 그룹은 체계적 zero shift 값을 적용함으로써 확인하였다.
- 가능한 격자 매개변수와 공간 그룹은 체계적 zero shift 값을 적용함으로써 확인하였다. 가능한 공간 그룹은 경험적 방
- 선택된 모튼 공간 그룹 중에서 사방 정계 결정 시스템의 Pn払 공간군이 분말회절 패턴과 계산된 회절 패턴 사이에서 가장 잘 일치하였다. 따라서 Pn払 공간군을 시작 모델로 선택하여 결정구조 해법을 수행하였다
- NCPS 결정구조 결정을 위해서 분말 회절 데이터 패턴을 색인화하고 그에 따른 데이터의 오차 범위를 조정하는 과정, 그리고 전산재료과학기법을 기반으로한 simulated annealing 프로그램을 통해 결정구조를 결정 할 수 있었다. 또한, 구조분석 기술을통해 결정구조의 공간군, 격자 매개변수와 Rietveld refinement 단계의 분석을 통하여최종적으로NCPS:Eu2+ 형광체의 회절 패턴 데이터를 해석하였다. 앞서 살펴 본 미지의 물질에 대한 구조 결정은 형광 소재에 대한 원천특허 획득을 위한 중요한 기술이다.
- 지금까지 무기재료의 구조 분석방법과 미지의 물질에 대한 결정구조 결정법, 그리고 이를 이용한 새로운 조성의 NCPS:Eu2+ 형광체에 대한 적용 예를 살펴보았다. NCPS 결정구조 결정을 위해서 분말 회절 데이터 패턴을 색인화하고 그에 따른 데이터의 오차 범위를 조정하는 과정, 그리고 전산재료과학기법을 기반으로한 simulated annealing 프로그램을 통해 결정구조를 결정 할 수 있었다.
- Le Bail method의 순서는 다음과 같다. 첫째, 방사선을 이용하여 측정한 분말 회절 피크를 데이터화 한다. 둘째, 단위 셀 혹은 격자 매개변수를 결정하기 위해 패턴을 색인화 한다.
대상 데이터
- 구조에 있는 Si 원자와P 원자로 이루어진 사면체의 두 가지 유형은 비 상호작용적(non-interacting) 이고 개별적으로 배열된다. Si 원자에 의해 형성된 사면체는 인접한 Na 원자 다면체와 면을 하나를 공유하지 만, 다른 사면체는 큰 양이온 다면체와 면을 공유하지 않는다 결정의 모든。원자는 SiC®「또는 PO芒사면체에 속하며 P 원자와 사면체의 평균 결합 길이는 1.544(4) A, 1.566(11) A, 1.588⑴ A이며, 결정의 a 축을 따라 각각 평행선과 반평행선으로 배열되어 있다. (100)면에서 관찰된 단위격자 내의 두 개의 양이온 층은 세 개의 양이 온 채널로 구성된 층에 두 개의 역 평행배열로나뉜다 이 채널 중 하나는 Si 또는 P 원자가 연속되고, Na 원자다면체 또는 Ca 원자다면체가번갈아가며 존재한다.
이론/모형
- 그중에 하나인 direct space method는 최근 널리 이용되고 있으며 유기, 무기 및 금속 물질의 구조를 해결하는데 성공적으로 적용되었다. 3차원 모델에서 시작하여 계산된 패턴과 실험적 패턴이 일치할 때까지 모델을 이동하여 구조를 해석한다 EXPO 프로그램을 통하여 두 가지 direct space method의 알고리즘을 사용할 수 있다 Simulated annealing 방식과 HBB-BC(Hybrid Big Bang Crunch) 알고리즘 방식이다. EXPO 프로그램은 두 가지 방식을 조합하여 비대칭 단위(asymmetric unit)에 구성된 결정구조의 무작위성을 점진적으로 줄여 구조 모델을 계산한다
- RAMM(random-model-based-method)[10]에서 얻은 음이온 위치에 대한 초기 모델은 제외하고 음이온의 정확한 원자 위치를 결정은 simulated annealing 방법을 통해 음이온의 위치에 대한 초기 모델을 결정하였다. 이 과정에서 최대 1084개의 음이온위치가구성이 되어 계산되어 진다.
- 법에 의해 선택되었으며, 실제 공간 그룹은 관측된 데이터와 계산된 데이터 사이의 일치 卫소 및 적합 도에 따라 추정하였다. 선택된 모튼 공간 그룹 중에서 사방 정계 결정 시스템의 Pn払 공간군이 분말회절 패턴과 계산된 회절 패턴 사이에서 가장 잘 일치하였다.
- 이 과정에서 최대 1084개의 음이온위치가구성이 되어 계산되어 진다. 얻어진 양이온과 음이온의 구성으로부터 GSAS[12] 소프트웨어를 사용하여 구조를 정련하기 위한 최상의 결정구조 모델을 선택한다. 고체 화학적으로 화합물의 적당한 결합 길이를 가진 안정한 구조를 얻을 때까지 이 과정을 반복해야 한다 그림 6은 [010] 방향으로 NCPS의 결정구조를 나타냈고, 결정, 부피 및 형태 데이터를 3차원 시각화를 위해 VESTAL]를 사용하였다 NCPS의 국부적인 모델은 4a의 위치에 있는 모든 원자와 사방정계 대칭을 보여준다.
성능/효과
- (2) 표본 변위 및 zero shift로 인한 실험적 회 절 데이터에서의 오차는 색인화 과정의 결과에 상당한 영향을 줄 수 있다
- 또한, Eif+의 양이 높게 치환된 형광체에서는 Ei产 다중 발광 스펙트럼 이 관찰 되 었고, Eu3+ 천이 로 인한 좁은 발광 피크도 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 Eu3+ 천이에 해당하는 여기 피크나, 전하이동 영역, 모체의 흡수 영 역은 관찰되지 않았다.
- 선택된 모튼 공간 그룹 중에서 사방 정계 결정 시스템의 Pn払 공간군이 분말회절 패턴과 계산된 회절 패턴 사이에서 가장 잘 일치하였다. 따라서 Pn払 공간군을 시작 모델로 선택하여 결정구조 해법을 수행하였다
- 하지만 Eu3+ 천이에 해당하는 여기 피크나, 전하이동 영역, 모체의 흡수 영 역은 관찰되지 않았다. 활성제의 도핑양이 높은 경우에는 희미한Eif* 천이가관찰되는 것을 확인 할 수 있었다. NCPS:Eu2+ 형광체의 비대칭 발광 밴드는 그림 9와 같이 세 개의 Gaussian 요소로 변환되어 476nm, 520nm, 572nm에 영역이 위치하고 있었다.
후속연구
- 차지하게 될 것이다. 또한 향후 조명시장은 LED 조명만 제조되는 것이 아니라 조명에 입혀 질 센서 및 다양한 칩과 접목되어 제조가 완성될 것으로 예측된다 이러한 기술 발전 시장은 2022년까지 매년 1.7%의 성장률을 기록하여 약 130억 달러 시장으로 성장할 것으로 보이는 중요한 소재 산업이다 ⑴ 특히, 효율적인 신규형광체 조성 개발을 위해서는 다양한 형광체 조성들을탐색하고, 선택된 새로운 조성에 형광체의 물성을 분석하며, 최종적으로 최적의 합성법으로 형광체의 효율을 증가시키는 연구가 필요하다. 또한, 신규 형광체 조성 개
- 특히, 형광체의 구조 분석은 광학적 특성과 결정 구조의 상호작용에 대한 분석을 통해 형광체의 특성을 규명하고, 기존의 실험적 반복을 통한 형광체 개발에서 벗어나 이론을 기초로 한 형광체를 설계할 수 있는 기반을 마련할 수 있다 따라서 LED 산업체가 요구하는 다양한 특성을 갖는 형광체를 탐색하는데 많은 시간과 비용을 줄일 수 있을 것이라고 기대된다. 비록 단기간 내에 신규 형광물질에 대한 개발로 이어지기는 어렵지만, 국내 연구진의 지속적인 형광체 연구를 통해서 현재 일본, 미국, 독일이 독점하고 있는 형광체 원천특허를 대체할 신규 형광 물질을 국내에서 개발할 수 있기를 기대한다.
- 앞서 살펴 본 미지의 물질에 대한 구조 결정은 형광 소재에 대한 원천특허 획득을 위한 중요한 기술이다. 특히, 형광체의 구조 분석은 광학적 특성과 결정 구조의 상호작용에 대한 분석을 통해 형광체의 특성을 규명하고, 기존의 실험적 반복을 통한 형광체 개발에서 벗어나 이론을 기초로 한 형광체를 설계할 수 있는 기반을 마련할 수 있다 따라서 LED 산업체가 요구하는 다양한 특성을 갖는 형광체를 탐색하는데 많은 시간과 비용을 줄일 수 있을 것이라고 기대된다. 비록 단기간 내에 신규 형광물질에 대한 개발로 이어지기는 어렵지만, 국내 연구진의 지속적인 형광체 연구를 통해서 현재 일본, 미국, 독일이 독점하고 있는 형광체 원천특허를 대체할 신규 형광 물질을 국내에서 개발할 수 있기를 기대한다.
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