[논문]스컬용융법에 의한 CaZrO3 : Eu3+ 형광체 합성

최현민; 김영출; 석정원

doi:10.6111/jkcgct.2020.30.4.131

스컬용융법에 의한 CaZrO3 : Eu3+ 형광체 합성
Synthesis of CaZrO3 : Eu3+ phosphor by skull melting method 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.30 no.4, 2020년, pp.131 - 135

최현민 ((주)한미보석감정원) , 김영출 ((주)한미보석감정원) , 석정원 (동신대학교 신소재에너지전공)

초록
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단결정상을 가지는 CaZrO₃ : Eu³⁺ 형광체를 스컬용융법으로 합성하였다. 합성된 형광체의 결정구조, 형태 및 광학적 특성은 XRD, SEM, UV 형광반응 및 PL을 분석하였다. 출발 원료는 CaO : ZrO₂ : Eu₂O₃를 0.962 : 1.013 : 0.025 mol%로 하여 냉각도가니에 충진하였다. 냉각도가니는 내부 직경 120 mm, 높이 150 mm이며, 혼합된 파우더 3 kg은 3.4 MHz의 출력 주파수로 1시간 이내에 완전히 용융되어 2시간 동안 유지시킨 후 자연냉각 시켰다. XRD 측정에서는 다른 결정상은 측정되지 않았으며 페로브스카이트 구조의 정방정계로 분석되었다. 합성된 형광체는 UV 광에 의해 여기 될 수 있고 방출 스펙트럼 결과는 615 nm에서 자기 쌍극자 전이 ⁵D₀→⁷F₂로 인해 CaZrO₃ : Eu³⁺의 밝은 적색 발광이 우세하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Single crystal phased CaZrO3 : Eu3+ phosphor have been synthesized by skull melting method. The crystal structure, morphology and optical properties of synthesized phosphor were investigated XRD (X-ray diffraction), SEM (scanning electron microscopy), UV (ultraviolet) fluorescence reaction and PL (photo luminescence). The starting materials having chemical composition of CaO: ZrO2 : Eu2O3= 0.962 : 1.013 : 0.025 mol% were charged into a cold crucible. The cold crucible was 120 mm in inner diameter and 150 mm in inner height, and 3 kg of mixed powder (CaO, ZrO2 and Eu2O3) was completely melted within 1 hour at an oscillation frequency of 3.4 MHz, maintained in the molten state for 2 hours, and finally air-cooled. The XRD results show that synthesized phosphor is stabilized in orthorhombic perovskite structure without any impurity phases. The synthesized phosphor could be excited by UV light (254 or 365 nm) and the emission spectra results indicated that bright red luminescence of CaZrO3 : Eu3+ due to magnetic dipole transition 5D0→7F2 at 615 nm was dominant.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Flow chart for the experimental procedure.
그림 Fig. 2. Photographs of CaZrO₃: Eu³⁺ ingot; (a) before split and (b) cross section of the synthetic ingot by skull melting method.
그림 Fig. 3. SEM micrographs of the CaZrO₃ : Eu³⁺ ingot: (a) is cross section (X-axis) plan (×100), (b) is inside (Z-axis) plan (×100).
$Fig. 4. X-ray diffraction pattern of the CaZrO<sub>3</sub> : Eu<sup>3+</sup> phosphor.$ 그림 Fig. 4. X-ray diffraction pattern of the CaZrO₃ : Eu³⁺ phosphor.
그림 Fig. 5. Photographs of the CaZrO₂ : Eu³⁺ phosphor powders under (a) room light (appearance: pale yellow powder), (b) UV-254 nm (appearance: bright red emission of Eu³⁺) and (c) UV-365 nm (appearance: red emission of Eu³⁺).
그림 Fig. 6. PL excitation spectra (a) and emission spectra (b) of Ca_0.95Eu_0.05ZrO₃ phosphor λ_em = 615.6 nm and λ_ex = 254 nm.

AI 본문요약
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제안 방법

Skull melting 법으로 CaZrO₃ : Eu³⁺ 형광체를 합성하기 위해 우선적으로 CaCO₃를 1000℃에서 2시간 동안 하소 (calcination)하여 CaO를 얻었다. 원료의 혼합은 CaO : ZrO₂ : Eu₂O₃ = 0.
4 MHz의 주파수로 유도가열 하였다. 냉각도가니에 충진 된 원료가 용융되면 부피가 감소됨으로 원료를 추가적으로 충진을 하였다. 카본 링을 원료와 함께 충진하는 이유는 CaO와 ZrO₂가 상온에서는 비저항이 높아 유도가열이 어렵기 때문이다.
출발원료는 Ca : Zr : Eu = 0.95 : 1 : 0.05 mol%가 되도록 CaO, ZrO₂ 및 Eu₂O₃를 혼합하여 3 kg을 준비하였으며, Skull melting 법으로 용융(출력 주파수 = 3.4 MHz) 시켜 CaZrO₃ : Eu³⁺ 형광체를 합성하였다. 3 kg 원료를 완전 용융시키는데 약 1시간 정도 소요되었으며, 융액 상태로 2시간 유지 후 냉각 도가니에서 자연냉각 시켰다.
이렇게 빠른 냉각이 가능한 이유는 냉각도가니 내부로 냉각수가 공급되기 때문이다. 합성한 잉곳(ingot)은 XRD, SEM, UV 형광반응 및 PL 측정을 통해 결정구조분석, 형상관찰 및 형광특성을 분석하였다. Figure 1에 실험과정을 나타내었다.

대상 데이터

(a)는 PL 여기 스펙트럼(excitation spectra) 데이터로서 방사파장(emission wavelength, λem)은 615.6 nm 조건에서 측정하였다.
만약 ⁵D₀ → ⁷F₁(λ = 589 nm)가 우세하게 되면 형광체는 오랜지 적색을 발광하게 된다. 따라서 본 연구에서 합성한 형광체는 Fig. 5에서 보여지는 것과 같이 적색을 발광하는 형광체인 것이다.
본 실험에 사용된 고주파 유도가열기는 Huth-Koen 발진 방식으로서 최대 출력은 118 kW이며, ∅ 170 × H 70 mm의 work coil(2 turn)을 사용하였을 때 tank condenser의 용량에 따라 이론상 3.02~8.00 MHz까지 주파수를 출력할 수 있도록 설계되어 있다.
를 1000℃에서 2시간 동안 하소 (calcination)하여 CaO를 얻었다. 원료의 혼합은 CaO : ZrO₂ : Eu₂O₃ = 0.962 : 1.013 : 0.0025 mol%로 하여 총3 kg(CaO : ZrO₂ : Eu₂O₃ = 862.52 : 1995.04 : 142.44 g)을 4시간 동안 ball mill하여 출발원료로 준비하였다. 이는 합성 후 Ca : Zr : Eu = 0.
측정된 데이터에서는 5D1 → 7FJ(J = 0~2) 및 5D0 → 7FJ(J = 1, 2)에 의한 밴드로서 5D1 → 7F0, 5D1 → 7F1 및 5D1 → 7F2는 각각 513, 538 및 557 nm 파장에 해당되며, 5D0 → 7F1 및 5D0 → 7F2는 각각 589 및 615 nm 파장에 해당된다.

이론/모형

이 밖에도 형광체 합성을 위해 호스트에 사용하는 화합물은 (Ca, Ba, Mg)Al₂O₄ 및 (Cd, Ca, Sr, Ba, Mg)SiO3 등이 있으며, Mn, Cu, Nd, Eu, Tb 및 Dy 등을 첨가하여 적색, 청색 또는 녹색 형광체를 합성하는 연구가 꾸준히 진행되고 있다[13]. 본 연구에서는 CaZrO₃를 호스트로 하는 형광체 합성에서 그동안 연구 보고된바 없는 skull melting 법을 적용하였다. Skull melting 법은 대표적으로 YSZ(yttria-stabilized cubic zirconia) 단결정 합성 및 금속의 합금 등에 응용된다[14,15].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CaZrO3를호스트로 하는 형광체는 주로 고상반응법 및 졸-겔법에 의한 합성연구가 진행되는데, 각각은 어떻게 합성하는가?	CaZrO3를호스트로 하는 형광체는 주로 고상반응법 및 졸-겔법에 의한 합성연구가 진행되고 있다. 고상반응법의 경우 일반적으로 CaCO3와 ZrO2를 혼합하여 1300~1400o C에서 합성하며[9,10], 졸-겔법의 경우 Ca(NO3)2∙4H2O)과 ZrO(NO3)2∙ XH2O 또는 ZrN2O7 등을 졸-겔 반응을 시켜 합성이 가능하다[11,12]. 이 밖에도 형광체 합성을 위해 호스트에 사용하는 화합물은 (Ca, Ba, Mg)Al2O4 및 (Cd, Ca, Sr, Ba, Mg)SiO3 등이 있으며, Mn, Cu, Nd, Eu, Tb 및 Dy 등을 첨가하여 적색, 청색 또는 녹색 형광체를 합성하는 연구가 꾸준히 진행되고 있다[13].
	CaZrO3는 무엇으로 사용되는가?	또 다른 산화물계 형광체로는 페로브스카이트 구조를 가지는 CaZrO3이다. CaZrO3는 형광체 호스트재료 뿐만 아니라 다층 세라믹 캐퍼시터, 고체전해질 및 촉매제 등 광범위하게 사용되고 있다[7,8]. CaZrO3를호스트로 하는 형광체는 주로 고상반응법 및 졸-겔법에 의한 합성연구가 진행되고 있다.
	Skull melting법으로 형광체를 합성 시 장점은 무엇인가?	Skull melting 법은 대표적으로 YSZ(yttria-stabilized cubic zirconia) 단결정 합성 및 금속의 합금 등에 응용된다[14,15]. Skull melting법으로 형광체를 합성 시 기존의 합성방법에 비해 비교적 원료 준비가 간단하며, 원료의 용융시간이 비교적 짧고, 원료의 회수율이 높은 장점이 있어 산화물 용용 및 합성연구에 그 활용 가치가 매우 크다고 할 수 있다[16].

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저자의 다른 논문 :

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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