[논문]SrAl12O19:Ce0.093+, Eu0.012+ 형광체에서 청색발광의 에너지 전이에 관한 연구

김광철; 최진수

SrAl12O19:Ce0.093+, Eu0.012+ 형광체에서 청색발광의 에너지 전이에 관한 연구
A Study of Energy Transfer in the Blue Emitting Fluorescence of SrAl12O19:Ce0.093+, Eu0.012+ Phosphor 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.18 no.1, 2019년, pp.48 - 52

김광철 (한국기술교육대학교 교양학부 물리전공) , 최진수 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The blue emitting fluorescence of $SrAl_{12}O_{19}:Ce_{0.09}{^{3+}}$, $Eu_{0.01}{^{2+}}$ phosphor includes two kinds of independent energy transfer mechanism through electric multipole interactions between donor and acceptor ions. The first energy transfer takes place between the $Ce^{3+}$ ion and the $Eu^{2+}$ion which strongly depends on the concentration $Eu^{2+}$ions. The second energy transfer occurs between the $Ce^{3+}$ ion and the $O_{Me}-Ce^{3+}$ complexes. Both energy transfer mechanisms of blue emitting peak at 410 nm were investigated by fitting of Gaussian functions. The result shows that the peak at 410 nm is two overlapping emissions originated by $Eu^{2+}$ions and $O_{Me}-Ce^{3+}$ complexes and as time elapses $Eu^{2+}$peak remains whereas $O_{Me}-Ce^{3+}$ related peak disappears.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

먼저 410 nm 부근의 발광 스펙트럼을 지연시 간에 따라 자세히 비교 분석한 후에 Gaussian 함수를 사용 하여 fitting 하였다. 그 결과로 두 에너지전이의 중첩에 대 한 실험적인 유추에서 이론적인 확증을 얻을 것이다.
본 연구에서는 SrAl₁₂O₁₉:Ce_0.09³⁺,Eu_0.01²⁺ 형광체에서 410 nm부근의 청색 발광의 원인을 이론적으로 접근하여 밝히려 한다. 먼저 410 nm 부근의 발광 스펙트럼을 지연시 간에 따라 자세히 비교 분석한 후에 Gaussian 함수를 사용 하여 fitting 하였다.

제안 방법

이들 에너지 전이에 대하여 상세히 분석하기 위하여 Fig. 6에서 보여주는 것 같이 지연시간 0 s, 0.4 μs, 3.0μs 인 세 개의 발광 스펙트럼을 비교분석 하였다.
01²⁺ 형광체에서 410 nm부근의 청색 발광의 원인을 이론적으로 접근하여 밝히려 한다. 먼저 410 nm 부근의 발광 스펙트럼을 지연시 간에 따라 자세히 비교 분석한 후에 Gaussian 함수를 사용 하여 fitting 하였다. 그 결과로 두 에너지전이의 중첩에 대 한 실험적인 유추에서 이론적인 확증을 얻을 것이다.
여기 광원으로는Nd-YAG 레이저 (Quantel, Brilliant w)를 Q-switching 상태에서 266 nm 파장의 제4조 화파를 발진하여 사용하였으며, 석영렌즈로 시료표면에 접속하여 조사하였다. 시료에서 방출한 빛은 석영렌즈로 집속하 여 optical fiber bundle을 사용하여 분광기 (Acton Research SpectraPro300i, SP308) 슬릿에 입사시켰으며, 시료 면에서 반사되거나 산란된 여기 광원을 필터로 차단하였다. 지연시간, gating time, 파장선택 및 scanning, 반복측정, 데이터 처리는 컴퓨터로 제어하였다.
펄스 형 여기 광원으로 발광 이온을 여기 시킨 후에 지연시간을 다르게 하여 시간에 따른 발광 스펙트럼을 얻었다. 여기 광원으로는Nd-YAG 레이저 (Quantel, Brilliant w)를 Q-switching 상태에서 266 nm 파장의 제4조 화파를 발진하여 사용하였으며, 석영렌즈로 시료표면에 접속하여 조사하였다. 시료에서 방출한 빛은 석영렌즈로 집속하 여 optical fiber bundle을 사용하여 분광기 (Acton Research SpectraPro300i, SP308) 슬릿에 입사시켰으며, 시료 면에서 반사되거나 산란된 여기 광원을 필터로 차단하였다.
이들 에너지 전이에 대하여 상세히 분석하기 위하여 지연시간 이 0 s, 0.4 μs, 3.0μs 인 세 개의 발광 스펙트럼에 대하여 Gaussian fitting을 하였다.
지연시간 0 s와 0.4 μs인 발광 스펙트럼은 비대칭적인 파형을 가지므로 두 개의 발광 peak로 다음과 같은 두 개의 Gaussian 함수를 사용하여 fitting하였다.
시료에서 방출한 빛은 석영렌즈로 집속하 여 optical fiber bundle을 사용하여 분광기 (Acton Research SpectraPro300i, SP308) 슬릿에 입사시켰으며, 시료 면에서 반사되거나 산란된 여기 광원을 필터로 차단하였다. 지연시간, gating time, 파장선택 및 scanning, 반복측정, 데이터 처리는 컴퓨터로 제어하였다.
01 mole 비로 고정시켰다. 첨가한 불순물을 안정시키기 위하여 25%의 수소와 75%의 질소 분위기에서 6시간 동안 900℃로 열처리하였다.
2에서 나타내었다. 펄스 형 여기 광원으로 발광 이온을 여기 시킨 후에 지연시간을 다르게 하여 시간에 따른 발광 스펙트럼을 얻었다. 여기 광원으로는Nd-YAG 레이저 (Quantel, Brilliant w)를 Q-switching 상태에서 266 nm 파장의 제4조 화파를 발진하여 사용하였으며, 석영렌즈로 시료표면에 접속하여 조사하였다.

대상 데이터

01²⁺는 연소법 (combustion method)으로 합성하였다. Sr(NO₃)₂․4H₂O, Al(NO₃)₂․ 9H₂O, Ce(NO₃)₃․4H₂O, Eu(NO₃)₃․6H₂O를 초기 물질로 사용하였으며, 연소과정을 발생시키기 위하여 urea(NH₂CONH₂)를 첨가하여1050℃에서 5시간 동안 반응시켰다. 불순물로 첨가한 Ce³⁺과 Eu²⁺의 농도는 각각0.

이론/모형

청색 발광 형광체인 SrAl₁₂O₁₉:Ce_0.09³⁺,Eu_0.01²⁺는 연소법 (combustion method)으로 합성하였다. Sr(NO₃)₂․4H₂O, Al(NO₃)₂․ 9H₂O, Ce(NO₃)₃․4H₂O, Eu(NO₃)₃․6H₂O를 초기 물질로 사용하였으며, 연소과정을 발생시키기 위하여 urea(NH₂CONH₂)를 첨가하여1050℃에서 5시간 동안 반응시켰다.

성능/효과

SrAl12O19:Ce0.093+,Eu0.012+ 형광체의 시간분해 PL 스펙트럼에 서 청색발광인 410 nm peak가 수 μs 후에 400 nm로 이동하고 파형도 비대칭에서 대칭으로 변함을 알 수 있었다.
0 μs 발광 스펙트럼은 한 개의 Gaussian 함수로 fitting하였다. 그 결과로 410 nm peak는 Eu²⁺ 의한 발광과 OMeCe³⁺ 복합체에 의한 발광이 중첩하여 발생하다가 발광 시간 이 흐름에 따라 OMe-Ce³⁺ 복합체에 의한 발광은 점차 사라지면서 Eu²⁺ 의한 발광만 남게 됨을 알 수 있었다.
4 μs로 길어짐에 따라 발광세기는 전체적으로 감소하면서 OMe-Ce³⁺ 복합체에 의하여 발생하는 발광의 파장은 440 nm로 길어지면서 발광세기가 급격히 줄어서 사라 지기 시작하였다. 이 현상은 400 nm의 발광 수명 시간이 430~450 nm 발광 수명시간보다 길다라는 사실을 알 수 있었다. 이는 Eu2⁺ 의한 발광과 OMe^-Ce3⁺ 복합체에 의한 발광이 중첩하여 410 nm peak를 발생시키다가 발광 시간이 흐름에 따 라 OMe^-Ce3⁺ 복합체에 의한 발광은 점차 사라지면서 Eu2⁺ 의 한 발광만 남게 됨을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	AB12O19는 무엇인가?	AB12O19는 P63/mmc의 space group을 가지는 magnetoplumbite 결정구조이다[1]. 이 결정구조에서 A는 2가 양이온인 Ca, Sr, Ba, Eu, Pb이고, B는 3가 양이온인 Al, Ga, Fe이다.
	SrAl12O19에 넓은 발광 피크가 발생하는 이유는?	SrAl12O19에 Eu2+와 Ce3+를 동시에 첨가하였을 경우 410 nm부근에서 넓은 발광 피크를 관측하였다[4]. 이 피크는 OMeCe3+복합체의 발광과 Eu2+ 자체발광이 중첩되어 발생하는 것으로 설명하였다. 이와 같은 현상은 BaAl12O19:Ce3+,Eu2+에 서도 관측되었다[5].
	MeAl12O19에서 발광 밴드가 나타나게 하기 위한 방법은?	MeAl12O19 에 Eu2+를 첨가하면 Eu2+가 Me자리에 치환되면서 Eu2+ 이온의 4f65d→4f7전이에 의한 발광 밴드가 나타난다[2]. Me=Sr일 경우 발광 피크는 395 nm, Me=Ca일 경우 발 광 피크는 410 nm 그리고 Me=Ba일 경우 발광 피크는 440 nm에서 나타났다[3].

참고문헌 (7)

J. M. P. J. Verstegen and A. L. N. Stevels, "The Relation between Crystal Structure and Luminescence in ${\beta}$ -Alumina and Magnetoplumbite Phases," J. Luminescence, Vol. 9, pp. 406-414, 1974.

상세보기
H. T. Hintzen, C. J. M. Denissen, and H. M. van Noort, " $^{151}Eu$ Mossbauer Spectroscopic Study of the Phosphor $SrAl_{12}O_{19}$ :Eu with the Magnetoplumbite Structure," Mat. Res. Bull., Vol. 24, pp. 247-259, 1989.

상세보기
G. Blasse and A. Bril, "Fluorescence of $Eu^{2+}$ -Activated Alkaline-Earth Aluminates," Philips Res. Reports, Vol. 23, pp. 201-206, 1968.
G. C. Kim and J. S. Choi, "A Study on the Blue Emitting $SrAl_{12}O_{19}:Ce{_x}^{3+},Eu_{0.01}{^{2+}}$ Using Time-resolved Photoluminescence," J. the Semiconductor & Display Technology, Vol. 15, No. 2, pp. 49-54, 2016.
H. S. Jeon, S. K. Kim, H. L. Park, G. C. Kim, J. H. Bang, and M. Lee, "Observation of Two Independent Energy Transfer Mechanisms in $BaAl_{12}O_{19}$ : $Ce_{0.06}{^{3+}}$ + $Eu{_x}^{2+}$ Phosphor," Solid State Comm., Vol. 120, pp. 221-225, 2001.

상세보기
B. Henderson and G. F. Imbush, Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, Clarendon Oxford, 1989.
G. C. Kim and J. S. Choi, "A Study on the Energy Transfer of $YALO_3:Tb{_x}^{3+}$ using Decay Curves," J. the Semiconductor & Display Technology, Vol.14, No.1, pp. 13-17, 2015.

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