녹색 BaSi2O2N2:Eu2+, 황색 Y3Al5O12:Ce3+, 적색 Sr2Si5N8:Eu2+ 형광체의 제조, 광특성 및 LED 응용

Abstract

본 연구에서는 Display와 조명용 백색 LED의 색재현율과 연색지수를 높이기 위해 청녹색의 형광체 BaSi2O2N2:Eu2+와 황색의 형광체 Y3Al5O12:Ce3+와 적색의 형광체 Sr2Si5N8:Eu2+을 합성하였다. 이를 Blue-LED를 여기 광원으로 사용하여 상기 형광체들의 색변환을 통하여 고연색 및 높은 색재현율을 가지는 백색 LED를 적용하는 방법이 연구하였다. 결론적으로 상기 각각 형광체의 파장 및 특성을 제어하여 높은 색재현율과 연색지수를 가지는 백색 LED를 구현함에 있다. 청녹색 형광체 BaSi2O2N2:Eu2+ 형광체의 발광 특성 변화와 첨가물에 따른 구조적 변화를 관찰 하였다. 고상반응법으로 1400~1500 ℃에서 각 N2 와 H2의 가스분위기에서 두 번의 열처리를 행하였다. BaSi2O2N2:Eu2+ 는 Eu2+의 f-d 천이에 기인하며, 첫 번째의 열처리보다 두번째 열처리시 높은 발광효율에 기인함을 확인하였다. 입자의 특성과 발광 효율을 고려하여 1450 ℃에서 10시간 H2 처리할 때 가장 최적이며, Ba(NO3)2, AlN, BN 그리고 MgO를 첨가하였을 때 Orthorhombic 구조의 BaSi2O2N2가 Monoclinic 구조로 변함을 확인하였다. 구조적인 변화를 통하여 신뢰성 평가를 온도의존 PL (Thermal Quenching Photo-Luminescence)을 통하여 열적 내구성을 확인하였으며, LED 5630 PKG를 90℃에서 평가하여 그 신뢰성을 확인하였다. 황색 형광체 Y3Al5O12:Ce3+는 Garnet형태의 결정 구조를 가지며, Near UV~Blue 빛을 흡수하여 활성제 Ce3+ 이온의 f-d 천이에 의해 황색 발광하는 형광체이다. YAG:Ce3+ 형광체는 Blue영역에서 흡수대가 가장 높으며, White LED에 적용시 최적의 조건을 갖추고 있는 형광체이다. 하지만 LED내에서 비시감도를 고려하였을 때 휘도의 가장 큰 변수로 작용하는 YAG형광체는 기존의 마이크로 사이즈 (10~15 ㎛)를 가지는 형광체를 적용한다. 이는 White LED의 산란 및 반사에 의한 손실을 최소화한 입자 크기이지만, 근래에는 나노크기의 형광체에 대한 연구를 통하여 그 표면적을 증가시켜 광추출 효율을 극대화 시키는 연구가 활발히 이루어졌다. 따라서 황색 발광 형광체 Y3Al5O12:Ce3+를 작은 입자 크기의 형광체로 합성하여 LED PKG내에서의 발광을 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 프로그램으로 LightTools (LightTools Ver. 6.3)를 사용하여 확인하였다. 이와 마찬가지로 형광체의 특성에 따라 5630 size LED를 실제로 PKG하여 시뮬레이션 결과와 함께 비교 분석 하였다. Y3Al5O12:Ce3+는 기본원료로써 Y2O3, Al2O3 그리고 CeO2를 사용하여 1400℃ 6시간 H2분위기에서 합성하였으며, 이때 작은 입자의 형광체를 합성하기 위해 기본 원료의 입자크기를 수 nm ~ 3 ㎛로 사용한다. 그 결과 550 nm에서 발광하는 황색 형광체를 합성하였으며, 그 입자 크기는 각각 2.5 ㎛임을 확인 하였다. 합성된 형광체의 특성을 분석하여 LightTools의 조건에 대입 하였으며, 각 동일 백색 좌표에서 같은 양자효율을 지닌 형광체 일 때 입자 크기가 상대적으로 작은 NY432는 24 %의 광효율 증가를 확인하였다. 이는 형광체의 입자를 줄이는 것이 LED PKG내에서 큰 변수로 작용함을 확인하였다. 결론적으로 형광체의 입자 크기를 줄여 그 표면적을 늘려서 효율을 증가 시킬 수 있음을 확인하였다. 적색 형광체 Sr2Si5N8:Eu2+는 고연색 백색 LED 구현을 위해 Blue 광을 흡수하여 적색 영역을 발광하는 대표적인 물질이다. 하지만 고온-고압 분위기에서 합성하기 때문에 합성 조건이 까다로우며, 질화물의 원료와 메탈분말을 이용하여 합성하기 때문에 혼합 시 주변 환경에 민감하며 비용이 많이 든다. 근래에는 탄소환원 질화법 (Carbothermal Reduction Nitridation)을 이용하여 합성하는 연구가 많이 되어 지고 있다. 따라서 탄소환원 질화법을 통하여 적색 형광체를 합성한다. Carbon의 함량비에 따라 SrSi2O2N2에서 Sr2Si5N8으로 상변이가 일어나며, 6.5 wt%일 때 단일상으로 가장 높은 PL Intensity가 나타났다. 또한 Eu 농도가 증가함에 따라 Peak Wavelength가 적색 편이하게 되는데 이는 Sr2Si5N8 격자 내에 Eu이 치환되어 들어가는 Site가 2개로 에너지가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 Energy Transfer 현상으로 일어남을 PL Spectra의 Gaussian fitting을 통하여 규명하였다. 따라서, Green (BaSi2O2N2:Eu2+, Em=495 nm), Yellow (Y3Al5O12:Ce3+, Em=550 nm) 그리고 Red (Sr2Si5N8:Eu2+, Em=620 nm) 삼원색을 활용하여 White LED(sized 70*20)를 제작하여 연색지수를 측정하였다. 그 결과 90 Ra라는 높은 연색지수값을 확인하였다. 그리고 LED PKG를 활용하여 제작한 BLU를 LCD TV (Samsung Display Panel)에 적용하여 색재현율(NTSC)을 확인결과 88.4 %의 높은 색재현율을 확인하였다.