[논문]이가 양이온 금속 친환 및 유기 첨가제를 이용하여 분무열분해법으로 제조된 Y2O3:Eu3+ 적색 형광체의 휘도 개선

민병호; 정경열

doi:10.4150/kpmi.2020.27.2.146

이가 양이온 금속 친환 및 유기 첨가제를 이용하여 분무열분해법으로 제조된 Y2O3:Eu3+ 적색 형광체의 휘도 개선
Photoluminescence Enhancement of Y2O3:Eu3+ Red Phosphor Prepared by Spray Pyrolysis using Aliovalent Cation Substitution and Organic Additives 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.27 no.2, 2020년, pp.146 - 153

민병호 (공주대학교 화학공학부) , 정경열 (공주대학교 화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The co-doping effect of aliovalent metal ions such as Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, and Zn2+ on the photoluminescence of the Y2O3:Eu3+ red phosphor, prepared by spray pyrolysis, is analyzed. Mg2+ metal doping is found to be helpful for enhancing the luminescence of Y2O3:Eu3+. When comparing the luminescence intensity at the optimum doping level of each Mg2+ ion, the emission enhancement shows the order of Zn2+ ≈ Ba2+ > Ca2+ > Sr3+ > Mg2+. The highest emission occurs when doping approximately 1.3% Zn2+, which is approximately 127% of the luminescence intensity of pure Y2O3:Eu3+. The highest emission was about 127% of the luminescence intensity of pure Y2O3:Eu3+ when doping about 1.3% Zn2+. It is determined that the reason (Y, M)2O3:Eu3+ has improved luminescence compared to that of Y2O3:Eu3+ is because the crystallinity of the matrix is improved and the non-luminous defects are reduced, even though local lattice strain is formed by the doping of aliovalent metal. Further improvement of the luminescence is achieved while reducing the particle size by using Li2CO3 as a flux with organic additives.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 분무열분해법을 이용하여 미세한 크기의 Y₂O₃:Eu 구형 형광체를 제조하고 모체에 이가 금속인 Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ 및 Zn²⁺을 도핑시켜 발광 특성의 개선여부를 조사하였다. 발광 휘도 측면에서 각 금속의 최적 농도를 결정하고, 그리고 가장 우수한 이가 금속을 도출하는 것이 본 연구의 목적이다. 또한 가장 높은 활성을 보이는 이가 금속을 기준으로 Li₂CO₃를 융제로 추가 사용했을 때 입자 크기 및 형상, 그리고 발광 세기에 미치는 영향을 조사하였다.
기존 보고에 의하면 분무열분해법으로 형광체 제조시 유기첨가제와 융제를 동시에 사용함으로써 나노 분말을 제조 가능하다[25]. 본 연구에서는 분무열분해법으로 보다 미세한 크기를 가지면서 개선된 휘도를 보이는 형광체 분말을 제조하기 위해 융제를 도입하였다. 휘도측면에서 가장 높은 Zn²⁺가 약 1.
따라서 610 nm에서 적색 발광은 Eu³⁺ 주변에 형성되는 결정장의 대칭성 변화에 의해 큰 영향을 받는다. 본 연구에서는 이가 양이온을 Y³⁺ 자리에 치환시켜 Eu³⁺의 발광 발광 세기에 미치는 영향을 조사하였다.
그러나 Y₂O₃:Eu 형광체에 다양한 이가 금속을 치환에 따른 발광 특성 연구가 이루어지지 않았다. 이에 본 연구에서는 분무열분해법을 이용하여 미세한 크기의 Y₂O₃:Eu 구형 형광체를 제조하고 모체에 이가 금속인 Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ 및 Zn²⁺을 도핑시켜 발광 특성의 개선여부를 조사하였다. 발광 휘도 측면에서 각 금속의 최적 농도를 결정하고, 그리고 가장 우수한 이가 금속을 도출하는 것이 본 연구의 목적이다.

제안 방법

발광 휘도 측면에서 각 금속의 최적 농도를 결정하고, 그리고 가장 우수한 이가 금속을 도출하는 것이 본 연구의 목적이다. 또한 가장 높은 활성을 보이는 이가 금속을 기준으로 Li₂CO₃를 융제로 추가 사용했을 때 입자 크기 및 형상, 그리고 발광 세기에 미치는 영향을 조사하였다.
분무용액은 다음과 같은 조건과 절차로 제조하였다. 먼저 Y₂O₃ 및 Eu₂O₃를 과량의 HNO₃와 물을 이용하여 녹인 다음 필요한 이가 금속 전구체를 녹인고 유기첨가물인 CA, EG 및 DMF를 녹였다. 용액의 총 농도는 0.
분무열분해법으로 (Y,M)₂O₃:Eu 적색 형광체를 제조하였고, 다양한 이가 양이온의 도입 영향을 조사하였다. 최대 발광 세기를 얻기 위한 최적의 M²⁺ 이온의 도핑량은 Ca²⁺와 Ba²⁺는 약 1.
따라서 이가 양이온 첨가가 형상이나 입자 크기에 영향을 주었는지 확인이 필요하다. 이가 양이온 금속이 첨가된 (Y_1-x, M_x)₂O₃:Eu³⁺ 분말의 형상 변화를 관찰하기 위해 SEM 분석을 수행하였고 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 제조된 입자들은 금속 종류에 상관없이 모두 구형으로 약 1 μm 내외의 크기를 가짐을 확인하였다.
제조된 분말의 결정구조 확인을 위해 X-ray 회절 분석을 실시하였다. 제조된 (Y, M)₂O₃:Eu³⁺ 입자의 크기 및 형상은 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)분석을 통해 확인 하였고, 발광 특성은 형광분석기(Spectrophotometer, Perkin Elmer LS55)를 이용하여 254 nm 여기 파장 하에서 분석하였다
제조된 분말의 결정구조 확인을 위해 X-ray 회절 분석을 실시하였다. 제조된 (Y, M)₂O₃:Eu³⁺ 입자의 크기 및 형상은 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)분석을 통해 확인 하였고, 발광 특성은 형광분석기(Spectrophotometer, Perkin Elmer LS55)를 이용하여 254 nm 여기 파장 하에서 분석하였다

대상 데이터

9(a)에 나타낸 것과 같이 융제의 사용으로 불순물 상의 형성이나 (Y,Zn)₂O₃:Eu의 입자의 결정구조 차이는 관찰되지 않았다. Scherrer 방정식으로부터 계산된 결정자 크기는 융제를 사용하지 않은 샘플은 47.8 nm이고 융제를 사용하여 제조한 샘플은 47.2 nm이다. 따라서 융제 사용으로 입자 크기가 작아졌지만 결정성에 큰 차이가 없다.
(M = Mg, Ca, Sr, Ba, Zn) 형광체 분말을 제조하였다. Y₂O₃, Eu₂O₃, Mg(NO₃)₂, Ca(NO₃)₂, Sr(NO₃)₂, Ba(NO₃)₂ 및 Zn(NO₃)₂를 모체의 전구체로 사용하였다. 구연산(citric acid, CA)과 에틸렌글리콜(ethylene glycol, EG), 그리고 N,N-Dimethylformamide(DMF)를 유기 첨가제로 사용하였다.
각 샘플에서 도핑된 M²⁺ 금속 이온의 함량은 발광 휘도가 최대가 되는 농도이다. 관찰된 XRD 피크들은 전형적인 입방 구조의 Y₂O₃ 결정 (JCPDS # 25-1200)에 해당한다. M²⁺ 이가 양이온의 도핑으로 불순물 상 형성은 없다.
관찰된 피크들은 Eu3+의 5D0→ 7Fi (i = 0, 1, 2, 3) 전이에 기인한 것들이다.
Y₂O₃, Eu₂O₃, Mg(NO₃)₂, Ca(NO₃)₂, Sr(NO₃)₂, Ba(NO₃)₂ 및 Zn(NO₃)₂를 모체의 전구체로 사용하였다. 구연산(citric acid, CA)과 에틸렌글리콜(ethylene glycol, EG), 그리고 N,N-Dimethylformamide(DMF)를 유기 첨가제로 사용하였다. 융제의 전구체로는 Li₂CO₃를 사용하였다.
융제의 전구체로는 Li₂CO₃를 사용하였다. 분무열분해 장치는 1.7 MHz 진동자 17개로 구성된 초음파 액적발생기, 길이 1200 mm 직경 55 mm의 석영 반응관 그리고 테플론 포집기로 구성하였다.
분무열분해법을 이용하여 (Y, M)₂O3:Eu³⁺(M = Mg, Ca, Sr, Ba, Zn) 형광체 분말을 제조하였다. Y₂O₃, Eu₂O₃, Mg(NO₃)₂, Ca(NO₃)₂, Sr(NO₃)₂, Ba(NO₃)₂ 및 Zn(NO₃)₂를 모체의 전구체로 사용하였다.
구연산(citric acid, CA)과 에틸렌글리콜(ethylene glycol, EG), 그리고 N,N-Dimethylformamide(DMF)를 유기 첨가제로 사용하였다. 융제의 전구체로는 Li₂CO₃를 사용하였다. 분무열분해 장치는 1.
본 연구에서는 분무열분해법으로 보다 미세한 크기를 가지면서 개선된 휘도를 보이는 형광체 분말을 제조하기 위해 융제를 도입하였다. 휘도측면에서 가장 높은 Zn²⁺가 약 1.3% 첨가된 (Y,Zn)₂O₃:Eu를 대상으로 선정하고, 구연산, 에틸렌글리콜 및 DMF를 유기첨가제로 사용하고, Li₂CO³를 융제로 사용하여 형광체 분말을 제조하였다. 융제를 넣지 않고 제조한 것과 넣고 제조한(Y,Zn)₂O₃:Eu 분말을 제조하고 1100°C에서 후 열처한 후 측정한 전자현미경 사진을 Fig.

데이터처리

여기서 d = λ / 2sinθ이고 Y₂O₃의 주 회절 면에 대해 h = k = l = 2이다. 측정한 XRD 결과에서 (222) 면의 회절 정보를 이용하여 이가 양이온의 도핑에 따른 격자 매개변수(lattice parameter)를 계산하였고 그결과를 Table 1에 정리하였다. 양이온 금속의 이온 반경은 Y³⁺ = 0.

성능/효과

즉 미세 변형율이 결정성과 함께 증가하는 경우는 발광세기 증가를 가져올 수 있다. 따라서 이가 금속을 치환시켜 모체 구조의 국부적인 변형이 형성되더라도 결정성을 증대시켜 결함을 줄이는 것이 휘도 개선에 유리하다라고 결론지었다.
(Y,M)₂O₃:Eu가 Y₂O:Eu에 비해 향상된 발광 휘도를 보이는 것은 이가 금속의 도핑으로 모체 구조의 국부적인 변형이 형성되더라도 결정성이 향상되어 비발광성 결함이 줄어들기 때문이다. 분무열분해법으로 (Y,Zn)₂O₃:Eu를 제조할 때 유기 첨가제와 함께 Li₂CO₃를 첨가하여 제조함으로써 발광 휘도가 약 50% 개선된 나노 크기의 제조가 가능하다는 것을 확인하였다.
이는 융제에 의해 입자가 나노화 되고, 높은 결정성으로 결함이 적은 깨끗한 표면을 가졌기 때문이다. 이상의 결과로부터 분무열분해법으로 (Y,Zn)₂O₃:Eu를 제조할 때 유기 첨가제와 함께 Li₂CO₃를 융제로 사용함으로써 입자 크기는 작게하면서 발광 휘도는 향상시킬 수 있음이 확인되었다.
제조된 입자들은 금속 종류에 상관없이 모두 구형으로 약 1 μm 내외의 크기를 가짐을 확인하였다.
Mg²⁺ 이온을 제외한 나머지 금속들은 약 10~20% 정도의 향상된 휘도를 보였다. 최대 발광 세기를 얻기 위한 최적의 M²⁺ 이온의 도핑 량은 Ca²⁺와 Ba²⁺는 약 1.7%, Mg²⁺ 및 Sr²⁺은 0.9%, 그리고 Zn²⁺는 1.3%였다. Fig.
Mg²⁺ 이온을 제외한 나머지 금속들은 약 10~20% 정도의 향상된 휘도를 보였다. 최대 발광 세기를 얻기 위한 최적의 M²⁺ 이온의 도핑 량은 Ca²⁺와 Ba²⁺는 약 1.7%, Mg²⁺ 및 Sr²⁺은 0.9%, 그리고 Zn²⁺는 1.3%였다. Fig.

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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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