[논문]Tb3+ 이온이 첨가된 NaCa(PO3)3 형광체의 형광특성

윤창용

doi:10.7742/jksr.2018.12.4.451

Tb3+ 이온이 첨가된 NaCa(PO3)3 형광체의 형광특성
Optical spectroscopy of Tb3+ ions doped NaCa(PO3)3 phosphors 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.12 no.4, 2018년, pp.451 - 457

윤창용 (동남권원자력의학원 핵의학과)

초록
AI-Helper

$Tb^{3+}$ 이온이 첨가 된 $NaCa(PO_3)_3$ 형광체의 여기 및 방출 스펙트럼 및 레이저 분광 측정을 통하여 형광특성을 조사 하였다. 고상법으로 $NaCa(PO_3)_3:Tb^{3+}$ 형광체를 합성하였다. X선 회절측정(XRD)을 사용하여 형광체의 결정 구조 및 결정성을 분석하여 $Tb^{3+}$ 이온이 30 mol%까지 첨가되어도 형광체의 결정구조가 $NaCa(PO_3)_3$의 결정상을 유지하였다. $NaCa(PO_3)_3:Tb^{3+}$(0.01 - 30mol %)형광체의 여기 및 방출 스펙트럼과 형광의 감쇠곡선을 상온에서 측정 하였다. $NaCa(PO_3)_3:Tb^{3+}$의 여기 스펙트럼에서 205 ~ 245 nm 영역에서 넓은 $Tb^{3+}$의 4f - 5d 전이에 의한 f - d 밴드가 나타났다. $NaCa(PO_3)_3:Tb^{3+}$의 방출 스펙트럼에서 $^5D_4{\rightarrow}^7F_J$ 전이에 의한 강한 피크와 $^5D_3{\rightarrow}^7F_J$ 전이에 약한 피크가 관찰 되었다. 방출 스펙트럼의 형광 강도와 형광의 수명시간 분석을 통하여 $Tb^{3+}$ 이온 사이의 에너지 전이 및 교차 이완이 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Luminescence properties of $NaCa(PO_3)_3$ doped with $Tb^{3+}$ ions are investigated by optical and laser excitation spectroscopy. The phosphors were prepared by solidstate reaction method The X-ray diffraction(XRD) was used to analyze the crystal structure and the crystallinity of the samples. The excitation and emission spectra and decay curve of $NaCa(PO_3)_3:Tb^{3+}$(0.01 ~ 30mol%) were measured at room temperature. The f - d band of $Tb^{3+}$ is observed in the excitation spectra of $NaCa(PO_3)_3:Tb^{3+}$ in the wave length region 205 ~ 245 nm. Strong emission lines due to the $^5D_4{\rightarrow}^7F_J$ transition and weak emission lines due to the $^5D_4{\rightarrow}^7F_J$ transition are observed in the emission spectra of $NaCa(PO_3)_3:Tb^{3+}$. The energy transfer and cross relaxation between $Tb^{3+}$ ions are discussed in $NaCa(PO_3)_3:Tb^{3+}$ in the emission spectra and life time.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

^[11] 또한 희토류 이온을 첨가한 인산염계는 첨가되는 희토류 이온 반경에 따라 서로 다른 결정 구조가 채택될 수 있으므로 다양한 모체에 대해 연구가 필요하다. 본 연구에서는 훌륭한 광학 특성으로 인하여 형광체 및 레이저 발생 물질로서 상당한 산업적 관심의 대상이 되며 지금까지 연구가 다양하게 진행 되지 않은 인산염계인 (PO₃)₃를 모체로하는 NaCa(PO₃)₃에 Tb³⁺ 이온을 첨가하여 형광특성을 연구하였다.

제안 방법

레이저 분광학 실험장치를 사용하여 레이저 분광및 수명시간 측정하였다. Nd-YAG (Spectron Laser Systems, model:SL 800) 레이저의 355 nm를 입사시켜 3 개의 반사거울 프리즘을 거쳐 cryostat (JANIS CCS-100) 내부에 고정된 시료에 조사하였다. 시료에서 나오는 방출형광은 볼록 렌즈를 사용하여 집광하였고 단색기의 입력 슬릿을 통하여 분산되었다.
형광체의 시작물질로 Na₂CO₃, NH₄H₂PO₄, CaCO₃, Tb₄O₇를 사용하였다. Tb³⁺ 이온의 농도를 0, 0.01, 0.1, 0.5, 1.0, 5.0, 10, 20, 30 mol% 첨가하여 형광체를 합성하였다. 시작물질을 전자저울(OHAUS, GA200)을 사용하여 측량하여 혼합하였다.
X – ray diffraction (XRD) 를 통해 합성된 시료의 구조를 분석 하였다.
레이저 분광학 실험장치를 사용하여 레이저 분광및 수명시간 측정하였다. Nd-YAG (Spectron Laser Systems, model:SL 800) 레이저의 355 nm를 입사시켜 3 개의 반사거울 프리즘을 거쳐 cryostat (JANIS CCS-100) 내부에 고정된 시료에 조사하였다.
여기스펙트럼은 형광체가 방출하는 가장 강한 방출 형광을 관찰하면서 여기 파장을 연속적으로 측정하였다. 방출스펙트럼은 여기 파장을 고정시키고 형광체에 입사시킨 후 형광체에서 분광기의 회절격자를 변화시켜 방출 파장의 형광강도를 측정하였다.
시료에서 나오는 방출형광은 볼록 렌즈를 사용하여 집광하였고 단색기의 입력 슬릿을 통하여 분산되었다. 분산된 형광은 광전자증배관(photomultiplier tube PMT)를 통하여 전기신호로 증폭되어 오실로스코프(Tektronix DPO3054)를 사용하여 데이터를 수집, 저장하였다.
여기 스펙트럼은 543 nm(Tb3+ ,5D4 → 7F5)형광을 관찰하여 측정하였다.
A)를 사용하여 측정하였다. 여기스펙트럼은 형광체가 방출하는 가장 강한 방출 형광을 관찰하면서 여기 파장을 연속적으로 측정하였다. 방출스펙트럼은 여기 파장을 고정시키고 형광체에 입사시킨 후 형광체에서 분광기의 회절격자를 변화시켜 방출 파장의 형광강도를 측정하였다.
Fig 5에서 NaCa(PO₃)₃:Tb³⁺ 형광체의 방출 스펙트럼에서⁵D₃ → ⁷F_J 전이와 ⁵D₄ → ⁷F_J 전이를 적분한 형광강도를 나타내었다. 최대 강도를 1로 규격화 하였다.
합성된 형광체의 형광 스펙트럼은 제논 아크 (Xe-arc)램프를 여기 광원으로 한 PTI(Photon technology international - U.S.A)를 사용하여 측정하였다. 여기스펙트럼은 형광체가 방출하는 가장 강한 방출 형광을 관찰하면서 여기 파장을 연속적으로 측정하였다.
희토류 이온 Tb³⁺가 첨가된 NaCa(PO₃)₃ 형광체의 분광학적 특성을 연구하였다. 형광체는 고상법으로 합성하였고 X선 회절 분석을 이용하여 활성제의 농도 변화에 대한 결정성을 확인하여 Ca 자리에 Tb³⁺ 이온이 잘 치환된 것으로 여겨진다.

대상 데이터

0, 10, 20, 30 mol% 첨가하여 형광체를 합성하였다. 시작물질을 전자저울(OHAUS, GA200)을 사용하여 측량하여 혼합하였다. 혼합된 시작물질은 알루미나 도가니에 담아 덮개를 덮고 전기로(아전가열)에서 가열하여 형광체를 합성하였다.
실험장비는 Philips (Netheland), X'Pert-MPD System 을 사용하였으며 X선은 파장 1.5405 Å 의 Cu-Kα 선으로 니켈 필터를 통과하여 시료에 조사하였다.
를 합성하기 위해 고상법을 사용하였다. 형광체의 시작물질로 Na₂CO₃, NH₄H₂PO₄, CaCO₃, Tb₄O₇를 사용하였다. Tb³⁺ 이온의 농도를 0, 0.

데이터처리

Nd-YAG (Spectron Laser Systems, model:SL 800) 레이저의 355 nm를 입사시켜 3 개의 반사거울 프리즘을 거쳐 cryostat (JANIS CCS-100) 내부에 고정된 시료에 조사하였다. 시료에서 나오는 방출형광은 볼록 렌즈를 사용하여 집광하였고 단색기의 입력 슬릿을 통하여 분산되었다. 분산된 형광은 광전자증배관(photomultiplier tube PMT)를 통하여 전기신호로 증폭되어 오실로스코프(Tektronix DPO3054)를 사용하여 데이터를 수집, 저장하였다.

이론/모형

본 연구에서는 희토류 이온이 첨가된 형광체 NaCa(PO₃)₃:Tb³⁺를 합성하기 위해 고상법을 사용하였다. 형광체의 시작물질로 Na₂CO₃, NH₄H₂PO₄, CaCO₃, Tb₄O₇를 사용하였다.
측정범위는 10 ~ 70°(2θ)이고, 2 Theta 방식으로 측정하였다.

성능/효과

시료의 결정성을 PDF#25-0857 카드^[12]와 비교하여 확인할 수 있었다. NaCa(PO₃)₃:Tb³⁺ 형광체의 XRD 스펙트럼에서 불순물 상이 발견되지 않았으며 PDF#25-0857 카드와 비교하여 잘 일치하였다. 이는 Tb³⁺이온이 30 mol%까지 첨가되어도 형광체의 결정구조가 NaCa(PO₃)₃의 결정상을 유지한다는 것을 의미한다.
Tb3+ 이온의 농도가 20 mol%까지 증가하고 농도소광을 보였으며 교차이완이 발생하여 상대적으로 5D3 → 7FJ 전이의 형광강도는 감소하고 5D4 → 7FJ 전이의 형광강도는 증가하였다.
Fig 7의 (b)는 NaCa(PO₃)₃:Tb³⁺ 형광체의 Tb³⁺ 이온의 농도변화에 따른 ⁵D₃ → ⁷F₄ 전이의 형광 수명시간 변화를 나타내었다. Tb³⁺ 이온의 농도가 높아질수록 형광의 수명시간이 급격하게 감소하는 것을 관찰하였다. 이것은 ⁵D₃ 준위에서 ⁵D₄ 준위로의 에너지 전달 현상이 초기시간에 빠른 감쇄가 일어나지만 Tb³⁺ 이온의 농도가 증가할수록 에너지 확산에 의한 빠른 에너지 전달에 의한 영향이 더 크게 작용하기 때문이다.
Tb3+ 이온의 농도가 증가할수록 5D3 → 7FJ 전이가 저 농도에서는 형광강도가 증가하나 농도가 높아질수록 감소하였다.
이것은 ⁵D₃ 준위에서 ⁵D₄준위로의 에너지 전달 현상이 초기시간에 빠른 감쇄가 일어나지만 Tb³⁺ 이온의 농도가 증가할수록 에너지 확산에 의한 빠른 에너지 전달에 의한 영향이 더 크게 작용하기 때문이다. 또한 Tb³⁺ 이온의 농도가 20 mol% 이상에서는 형광체 활성제 사이의 거리가 가까워져서 방출 에너지를 주변 활성제 이온들에 쉽게 전달하고 결함과 같은 소광 중심으로 에너지가 빠져나가 농도소광 나타났다. 희토류 이온이 포함된 산화물계 형광체의 합성과 형광체내의 에너지 전달과 상호작용 연구를 통해 형광체의 합성과 형광특성 및 에너지 전이에 대한 결과로 X선 검출기, 디스플레이, 조명 등 많은 응용분야에 사용될 수 있는 물질 제조에 도움 될 것으로 기대된다.
이온의 농도가 20 mol%까지 증가하고 농도소광에 따른 형광 강도가 감소하였다. 또한 Tb³⁺ 이온의 농도가 높아질수록 형광의 수명시간이 감소하는 것을 관찰하였다. 이것은 ⁵D₃ 준위에서 ⁵D₄준위로의 에너지 전달 현상이 초기시간에 빠른 감쇄가 일어나지만 Tb³⁺ 이온의 농도가 증가할수록 에너지 확산에 의한 빠른 에너지 전달에 의한 영향이 더 크게 작용하기 때문이다.
1mol%)형광체의 방출 스펙트럼에서 542 nm(Tb³⁺, ⁵D₄ → ⁷F₅)형광 수명시간을 나타내었다. 피팅 결과 형광의 초기 상승시간은 1.11 ms이고 형광의 수명시간은 3.10 ms로 나타났다.

후속연구

^[9-10] 그러므로 첨가된 희토류 이온이 격자의 어느 자리를 차지하는지에 대한 정보는 매우 중요한 사항이다.^[11] 또한 희토류 이온을 첨가한 인산염계는 첨가되는 희토류 이온 반경에 따라 서로 다른 결정 구조가 채택될 수 있으므로 다양한 모체에 대해 연구가 필요하다. 본 연구에서는 훌륭한 광학 특성으로 인하여 형광체 및 레이저 발생 물질로서 상당한 산업적 관심의 대상이 되며 지금까지 연구가 다양하게 진행 되지 않은 인산염계인 (PO₃)₃를 모체로하는 NaCa(PO₃)₃에 Tb³⁺ 이온을 첨가하여 형광특성을 연구하였다.
또한 Tb³⁺ 이온의 농도가 20 mol% 이상에서는 형광체 활성제 사이의 거리가 가까워져서 방출 에너지를 주변 활성제 이온들에 쉽게 전달하고 결함과 같은 소광 중심으로 에너지가 빠져나가 농도소광 나타났다. 희토류 이온이 포함된 산화물계 형광체의 합성과 형광체내의 에너지 전달과 상호작용 연구를 통해 형광체의 합성과 형광특성 및 에너지 전이에 대한 결과로 X선 검출기, 디스플레이, 조명 등 많은 응용분야에 사용될 수 있는 물질 제조에 도움 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인산염계 산화물이 효율성 높은 LED용 백색 형광체 개발을 위한 좋은 모체 결정으로 사용되는 이유는 무엇인가?	산화물계의 대표적인 형광체로 사용되는 인산염계 산화물은 안전성이 높고 발광 효율이 우수하며 비교적 저렴한 재료로 합성이 가능한 장점을 가진다.[1] 또한 이러한 인산염계 산화물은 모체물질의 흡수 파장이 이들 물질 내에 첨가되는 희토류 이온들의 형광특성 응용에 적합하여 효율성이 높은 LED용 백색 형광체 개발을 위한 좋은 모체 결정으로 사용된다.[2] 특히 PO43- 강한 사면체 결합을 하고 있으며 음이온으로 인해 132 ~ 186 nm 영역에 효율적인 흡수가 가능하다.
	b3+가 첨가된 NaCa(PO3)3 형광체의 Tb3+ 이온의농도가 높아질수록 형광의 수명시간이 감소하는 이유는 무엇인가?	또한 Tb3+ 이온의 농도가 높아질수록 형광의 수명시간이 감소하는 것을 관찰하였다. 이것은 5D3 준위에서 5D4 준위로의 에너지 전달 현상이 초기시간에 빠른 감쇄가 일어나지만 Tb3+ 이온의 농도가 증가할수록 에너지 확산에 의한 빠른 에너지 전달에 의한 영향이 더 크게 작용하기 때문이다. 또한 Tb3+ 이온의 농도가 20 mol% 이상에서는 형광체 활성제 사이의 거리가 가까워져서 방출 에너지를 주변 활성제 이온들에 쉽게 전달하고 결함과 같은 소광 중심으로 에너지가 빠져나가 농도소광 나타났다.
	인산염계 산화물을 형광체로 사용할 때의 장점은 무엇인가?	산화물계의 대표적인 형광체로 사용되는 인산염계 산화물은 안전성이 높고 발광 효율이 우수하며 비교적 저렴한 재료로 합성이 가능한 장점을 가진다.[1] 또한 이러한 인산염계 산화물은 모체물질의 흡수 파장이 이들 물질 내에 첨가되는 희토류 이온들의 형광특성 응용에 적합하여 효율성이 높은 LED용 백색 형광체 개발을 위한 좋은 모체 결정으로 사용된다.

참고문헌 (12)

J. Dexpert Ghys, R. Mauricot, M.D. Faucher, "Spectroscopy of $Eu^{3+}$ ions in monazite type lanthanide orthophosphates $LnPO_4$ , Ln La or Eu," Journal of luminescence, Vol. 69, No. 4, pp. 203-215, 1996.

상세보기
S. Zhang, Y. Huang, H. J. Seo, "The spectroscopic properties and structural occupation of $Eu^{3+}$ sites in $LiMgPO_4$ phosphor," Journal of The Electrochemical Society, Vol. 157, No. 5, pp. 186-190, 2010.
Y. Wang, D. Wang, "Photoluminescence properties of $La(PO_3)_3:Tb^{3+}$ under VUV excitation," Journal of Solid State Chemistry, Vol. 180, No. 12, pp. 3450-3455, 2007.

상세보기
C. Mu, J. He, "Synthesis and luminescent properties of Rare Earth ( $Eu^{2+}$ , $Tb^{3+}$ ) doped $Ba_3(PO_4)_2$ nanowires by chemical precipitation in nanochannels," Materials Letters, Vol. 70, pp. 101-104, 2007.
D. J. Robbins, B. Cockayne, B. Lent, J. L. Glasper, "The mechanism of cross-relaxation in $Y_3Al_5O_{12}$ : $Tb^{3+}$ ," Solid State Communications, Vol. 20, No. 7, pp. 673-676, 1976.

상세보기
G. Blasse, A. Bril, "Investigations of $Tb^{3+}$ -activated phosphors," Philips Research Reports, Vol. 22, No. 5, pp. 481, 1967.
G. Blasse, B. C. Grabmaier, Luminescent materials, Springer-Verlag, pp. 91, 1994.
J. Garcia Sole, L. E. Bausa, D. Jaque, An Introduction to the optical spectroscopy of Inorganic Solisds, John Wiley &Sons, pp. 190, 2005.
H. J. Seo, C. W. Park, "Property of Optical Spectroscopy on the Lanthanum Tungstate doped $Eu^{3+}$ Ion," Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 9, No. 1, pp. 39-45, 2015.

원문보기 상세보기
S. G. Jin, "A Study on the Luminescence Properties of $LiGd_9(SiO_4)_6O_2:Ce^{3+}$ ," Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 9, No. 3, pp. 169-175, 2015.

원문보기 상세보기
J. L. Yuan, H. Zhang, J. T. Zhao, H. H. Chen, X. X. Yang, G. B. Zhang, "Synthesis, structure and luminescent properties of $Lu(PO_3)_3$ ," Optical Materials, Vol. 30, No. 9, pp. 1369-1374, 2008.

상세보기
I. Abrahams, G. E. Hawkes, A. Ahmed, T. Di Cristina, D. Z. Demetriou, G. I. Ivanova, "Structures of the chain metaphosphates $NaM(PO_3)_3$ (MCa or Sr)," Magnetic Resonance in Chemistry, Vol. 46, No. 4, pp. 316-322, 2008.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증