백색 발광 소자용 (Ba, Ca)₂SiO₄:Eu^(2+), Mn^(2+) 형광체의 특성 연구

Abstract

본 연구에서는 (Ba,Ca)₂SiO₄:Eu^(2+), Mn^(2+) 형광체를 환원분위기의 고상반응법으로 합성하고 이를 이용하여 백색 발광 소자를 제작하였다. X선 회절 패턴을 분석하여 상기의 고상 반응법으로 합석된 형광체가 P3m1의 공간 구조군을 가지는 hexagonal 구조의 단일상(T-phase)임을 확인하였다. 상기 형광체의 T-phase 구조는 (Ba, Sr, Ca)₂SiO₄ 계열의 형광체 중에서 유일하게 6배위수의 자리가 존재하여 Mn^(2+) 에 의한 적색 발광이 가능하며, 열적, 화학적 안정성이 가장 우수한 특성을 보인다. 광여기 및 발광 스펙트럼을 통하여 340 nm 부근에서 최대 흡수치가 나타나며, 510 nm 부근의 넓은 녹황색과 610 nm 부근의 적색 발광이 나타남을 측정하였다. 510 nm의 녹황색 발광은 Ba 및 Ca 자리의 Eu^(2+) 이온의 f-d 전이에 의하며, 610 nm의 적색 발광은 Ca 자리의 Mn^(2+) 이온의 ⁴T₁-^(6)A₁ 전이로부터 기인한다. 또한 Eu^(2+) 이온과 Mn^(2+) 이온사이에 에너지 전달 현상이 나타나며, 이는 Eu^(2+) 이온과 Mn^(2+) 이온의 농도에 따른 발광 스펙트럼과 시분해 스펙트럼 측정에 의한 Eu^(2+) 이온 잔광시간 감소를 통해 확인할 수 있으며, 전자 공명 스핀 측정 결과와 Dexter’'s energy transfer formula를 이용하여 설명할 수 있다. 온도의존 스펙트럼에서는 170 ℃ 부근에서 온도 소광현상이 나타났으며, 적색이 녹황색 보다 빨리 감소하였다. 또한 이때의 색좌표의 변화는 x= 0.37 - 0.34, y= 0.38 - 0.36 으로 열에 대한 발광색의 안정성이 우수한 것으로 보인다. (Ba,Ca)₂SiO₄:Eu^(2+), Mn^(2+) 형광체를 이용한 백색 발광 소자는 375 nm의 근자외선 발광 다이오드와 420 nm의 청색 발광 다이오드를 이용하였다. 상기의 백색 발광 소자는 Eu^(2+) 이온과 Mn^(2+) 이온의 농도에 따라 3500 K에서 5000 K 의 따듯한 발광색을 보였으며, 구동 전압에 따라 밝기가 증가하는 특성을 보였다. 또한 연색지수는 근자외선 발광 다이오드를 이용하였을 때는 최대 85 부근이고, 청색 발광 다이오드를 이용하였을 때는 최대 91로 나타났다. 따라서 본 연구의 (Ba,Ca)₂SiO₄:Eu^(2+), Mn^(2+) 형광체와 이를 이용한 백색 발광 소자는 종래의 디스플레이 분야뿐만 아니라 고연색성의 따뜻한 발광색이 필요한 조명용 백색 발광 소자까지 다양하게 응용이 가능한 것으로 생각되어진다.

White-light-emitting Eu^(2+)/Mn^(2+)codoped (Ba,Ca)₂SiO₄ phosphor is achieved in the T-phased crystal structure. We have investigated the energy transfer between Eu^(2+) and Mn^(2+) ions as a function of their concentrations; the exchange mode between Eu-Mn close pairs as well as the dipole-quadrupole mode between Eu-Mn distant pairs. The strong correlation between the Mn decay time and the Mn g factor with increasing Eu^(2+) ions at fixed Mn^(2+) concentrations supports that the Eu^(2+) ions are closely paired with Mn^(2+) ions, and thus they give rise to the perturbation of Mn^(2+) sites and the violation of Mn selection rule so as to enhance Mn^(2+) emissions. Furthermore, our T-phased (Ba,Ca)₂SiO₄:Eu^(2+), Mn^(2+) phosphor shows excellences in the ultraviolet-power-dependent saturation and the thermal quenching behaviors. It can also be explained in terms of a strong interaction of Eu-Mn close pairs.