[논문]ZnS 형광체의 결정구조에 따른 발광 특성 연구

박용규; 성현호; 조황신; 이종찬; 박대희

ZnS 형광체의 결정구조에 따른 발광 특성 연구
Research of luminescent characteristics due to the crystal structure of ZnS phosphors 원문보기

박용규 (전자부품연구소 전자소자센터) , 성현호 (전자부품연구소 전자소자센터) , 조황신 (중앙대학교 물리학과) , 이종찬 (원광대학교 전기.전자공학부) , 박대희 (원광대학교 전기.전자공학부)

진공 분위기에서 소성하여 ZnS 형광체를 제작하였다. ZnS 형광체는 소성온도가 $950^{\circ}C$ 이하인 경우 sphalerite 구조로 성장되었고, $1050^{\circ}C$ 이상인 경우 sphalerite 구조와 wurtize 구조의 공존이 확인되었다. Sphalerite 구조일 때 나타나는 460 nm를 중심으로 하는 발광 peak과 wurtize 구조일 때 나타나는 440 nm를 중심으로 하는 발광 peak은 ZnS 형광체 내에 형성된 $V_{Zn}$에 기인한다. Sphalerite 구조로 성장되었을 때 발광 스펙트럼에서 관측되는 528 nm를 중심으로 하는 발광 peak과 sphalerite와 wurtize 구조가 공존할 때 발광 스펙트럼에서 관측되는 515 nm를 중심으로 하는 발광 peak은 ZnS 형광체 내에 형성된 S의 결핍($V_s$) 준위로부터 가전자 띠로 복사 전이에 기인하는 것으로 설명된다.

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문제 정의

증가한다. Wurtize 구조에서 형성되는 Vzn의농도가 증가함에 따라 전하보상을 위하여.형성된 Vs의 농도도 같이 증가하게 된다.
대한 보고는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 ZnS 분말을 진공 봉입하여 다양한 온도에서 소성하였다. 제작된 ZnS 형광체의 결정구조와 여기 및 발광 스펙트럼을 관측하여 ZnS 형광체의 발광 특성을 조사하였다.

제안 방법

ZnS 분말을 진공봉입한 후 다양한 온도에서 소성하여 ZnS 형광체를 제작하였다. 소성온도에 따른 여기 및 발광 스펙트럼 분석 결과 sphalerite 구조일 때 나타나는 460 nm를 중심으로 하는 발광과 wurtize 구조일 때 나타나는 440, run를 중심으로 하는 발광은 각각의 구조에서 형성되는 Vzn에 기인하는 것으로 설명된다.
진공도가 1 X io-5 torr이하가 되도록 배기한 후 수정관을 봉입한 후 소성한다. 소성온도를, 65012 〜 1150弋로 변화시켰고, 2 시간동안 유지하였다.
그림 4. 소성온도에 따른 ZnS 형광체의 발광스펙트럼 비교.
시간에 따른 발광 세기의 변화를 측정하였고, 여기 광원으로는 1~100 Hz로 가변할 수 있는 섬광 등을 사용하였다.
제작된 ZnS 형광체의 X-선 회절무늬와 여기 및 발광 스펙트럼 측정하였고, 여기 광원으로는 0〜1 kW로 가변할 수 있는 Xe 등을 사용하였다. 시간에 따른 발광 세기의 변화를 측정하였고, 여기 광원으로는 1~100 Hz로 가변할 수 있는 섬광 등을 사용하였다.
본 연구에서는 ZnS 분말을 진공 봉입하여 다양한 온도에서 소성하였다. 제작된 ZnS 형광체의 결정구조와 여기 및 발광 스펙트럼을 관측하여 ZnS 형광체의 발광 특성을 조사하였다.

성능/효과

즉 440 과 515 皿를 중심으로 하는 두 발광 peak들 사이의 460 nm 근방에 하나의 발광 peak이 더 존재하고, 그림 3(a)의 경우 발광 스펙트럼은 세 가지 peak들의 중첩에 의한 것임을 알 수 있다. 그림 3(a)를 그림 2(a)와 비교하여 보면 여기 스펙트럼에서 356 nm 근방의 동일한 위치에 여기 peak이 관측되고, 발광 스펙트럼에서도 460 nm 근방에서 발광 peak의 존재가 확인되었다. 따라서 950°C 이하의 온도에서 소성한 ZnS 형광체에 존재하는 자체 결함이 1050E 에서 소성한 ZnS 형광체에도 존재함을 알 수 있다.
그림 1의 X-선 회절무늬를 JCPDS 카드와 비교하여 본 결과 형광체의 소성온도가 9501 이하인 경우는 초가 ZnS 분말의 결정구조인 sphalerite 구조를 유지하였고, 소성온도가 10501 이상으로 증가하면 wurtize 구조로 성장되었음을 알 수 있었다. 그러나 sphalerite 구조의 (111), (220), (311)면.
또한 1050°C 와 9501에서 소성한 ZnS 형광체의 발광 및 여기 스펙트럼을 비교하여 본 결과 sphalerite 구조에서 형성되는 자체 결함에 기인하는 여기 및 발광 peak이 1050笆에서 소성한 ZnS 형광체의 여기 및 발광 스펙트럼에서 동일하게 관측되었다. 따라서 1050笆로 소성한 ZnS 형광체내에 sphalerite 구조와 wurtize 구조가 공존하고, 그림 2에서 확인된 새로운 두 종류의 결함은 wurtize 구조에서 형성된 자체결함임을 알 수 있다.
1050E로 소성한 ZnS 형광체내에 sphalerite 구조와 wurtize 구조의 공존 가능성이 제시되었다. 또한 1050°C 와 9501에서 소성한 ZnS 형광체의 발광 및 여기 스펙트럼을 비교하여 본 결과 sphalerite 구조에서 형성되는 자체 결함에 기인하는 여기 및 발광 peak이 1050笆에서 소성한 ZnS 형광체의 여기 및 발광 스펙트럼에서 동일하게 관측되었다. 따라서 1050笆로 소성한 ZnS 형광체내에 sphalerite 구조와 wurtize 구조가 공존하고, 그림 2에서 확인된 새로운 두 종류의 결함은 wurtize 구조에서 형성된 자체결함임을 알 수 있다.
ZnS 형광체를 제작하였다. 소성온도에 따른 여기 및 발광 스펙트럼 분석 결과 sphalerite 구조일 때 나타나는 460 nm를 중심으로 하는 발광과 wurtize 구조일 때 나타나는 440, run를 중심으로 하는 발광은 각각의 구조에서 형성되는 Vzn에 기인하는 것으로 설명된다. 소성온도에 따른 발광 스펙트럼의 비교와 시간에 따른 발광 세기의 변화를 분석한 결과 sphalerite 구조일 때 나타나는 528 nm를중심으로 하는 발광과 wurtize 구조일 때 나타나는 515 nm를 중심으로 하는 발광의 기구는 Vs로부터가전자 띠로의 복사 전이로 설명된다.

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