Synthesis and upconversion luminescence properties of Er3+ and Yb3+ co-doped in SrLaMgTaO6 double perovskite phosphor

Abstract

상방전환(Upconversion)은 두 개 이상의 광자(photon)의 순차적인 흡수로 인하여 excitation wavelength 영역보다 더 단파장 영역에서 발광하는 비선형 광학 과정을 말한다. 즉, 상방전환 형광체는 근적외선 영역의 빛을 흡수하여 단파장인 가시광선 영역으로 빛을 방출한다. 이러한 희토류가 도핑된 상방전환 형광체의 특성을 이용하여 태양전지, 바이오 라벨링, 디스플레이 기술의 차세대 루미네센스, upconversion laser 및 광학 증폭기등과 같은 다양한 분야에서 많은 연구들이 이루어지고 있다. 이에 Er3+ 이온은 자외선으로부터 가시광선, 자외선 영역에 이르기까지 많은 에너지 준위를 가지고 있고, 공명 혹은 준공명 조건을 만족시키는 준위의 쌍들이 다양한 에너지 전달과정과 상방전환 형광이 일어날 수 있는 조건을 갖추고 있어 가장 널리 이용되고 있다. 하지만 Er3+ 이온의 흡수 영역인 980nm의 빛이 조사 되었을 때 4I11/2 준위에서 아주 낮은 흡수 단면을 가지고 있어 상대적으로 낮은 상방전환 방출량과 pump 효율을 가지고 있다. 이러한 문제점을 극복하고 상방전환 방출 효율을 증대시키기 위하여 Yb3+이온을 co-dopant 이온으로 널리 사용된다. Yb3+ 이온의 경우 980nm 근방에서의 큰 흡수 단면을 가지고 있으며, resonant energy state를 가지고 있는 활성제(activator) 이온으로의 에너지 전이 효율이 높기 때문에 Er3+과 Yb3+를 함께 첨가한 upconversion 형광체가 활발히 연구되고 있다. 상방전환 형광 효율을 높이기 위해서는 모체의 선택 역시 매우 중요하다. 그 이유는 multiphonon relaxation에 의한 비방사 전이를 줄이기 위해 모체가 낮은 포논 에너지를 가지고 있어야 하는데, 이는 비방사 전이 대신 energy transfer upconversion 이나 cross relaxation process 를 촉진 시킨다. 본 연구에서는 고상법을 이용하여 SrLaMgTaO6 형광체에 Er3+과 Yb3+를 농도에 따른 상방전환 형광 특성을 확인하였다. XRD를 통해 형광체가 성공적으로 합성되었다는 것을 확인하고, 980nm의 빛을 흡수하였을 때의 Er3+과 Yb3+ 농도에 따른 형광 특성에 대하여 논의하였으며, 그 매커니즘에 대해서도 논하였다.