신조성 백색 형광체의 광학적, 구조적 특성 연구

Abstract

본 연구에서는 환원분위기 속에서 고상반응법 (Solid State Reaction)으로 신조성 백색 형광체 (Ca, Sr, Ba)MgSi2O6 : Eu^(2+), Mn^(2+) 를 합성하였다. 이를 UV-Pumped 여기 광원으로 사용하여 상기의 형광체를 색변환(Down-conversion)으로 응용하여 백색 발광 소자를 이용 LCD BLU에 적용하는 방법이 연구되었다. PL (photoluminescence) 측정을 통해 신조성 백색 형광체 (Ca, Sr, Ba)MgSi2O6 : Eu^(2+), Mn^(2+) 형광체는 흡수 스펙트럼을 통해 350 nm 근방에서 흡수 최대치가 나타나며, 적색, 황색, 청색의 3색이 발광한다. 청색 (450 nm) 발광은 Ca site에 속하는 Eu^(2+) 이온의 f-d 천이에 기인하며, 황색 (580 nm)과 적색 (680 nm) 발광은 각각 Mg^(2+)와 Ca^(2+) site에 속하는 Mn^(2+) 이온의 4T1-6A1 천이에 기인한다. Time-resolved PL 스펙트럼을 통하여 각각의 Site symmetry를 확인함과 동시에 ESR (Electron Spin Resonance) 측정을 통하여 Mg^(2+) site와 Ca^(2+) site에 속하는 Mn^(2+) 이온을 확인할 수 있었고, 황색, 적색에 기인하는 Mn^(2+) 이온의 활성제의 농도에 따라 PL 스펙트럼의 발광 강도에서의 변화를 관측하였다. 황색이 부족한 상기 형광체를 보완하기 위해 (Ba, Sr)SiO₄:Eu^(2+) 를 혼합하여 White color를 구현하고 CRI (Color Redering Index)를 측정하여 고연색성을 확인하였다. 상기 혼합형광체에서 청색(Eu^(2+) in Ca site)에서 황색 (Mn^(2+) in Mg site, (Ba, Sr)₂SiO₄) 및 적색 (Mn^(2+) in Ca site)으로 에너지 전달 현상이 일어남을 확인하였다. Ca, Sr, Ba의 조합 함유량에 따라 Time-resolved PL이 커브가 길어진다. 이는 Ca site에 속한 Eu^(2+) 이온의 f-d 천이간의 Trap이 형성되어진다. X선 회절 분석을 통하여 고상반응법으로 합성된 상기 형광체의 단일 구조상을 확인하였다. 또한, 모체를 구성하는 이온이 Ba, Sr 및 Ca의 순서로 변화함에 따라 격자상수가 감소함으로써, Bragg's law에 의해 Low angle shift를 확인하였다. Ba, Sr, Ca의 함유량이 증가함으로써 발광 스펙트럼의 적색편이 정도가 각각 다름을 관측하였다. 이는 각각의 색에 결정장 및 공유결합도가 다르게 영향으로 미치는데 그 원인이 있는 것으로 설명되어진다. 종래의 백색 발광 형광체와 비교하여, 신조성 형광체와 자외선 발광 다이오드로 구성된 백색 발광 소자는 9000 K이하의 색온도를 보여지며, 3색 발광함으로써 색재현성 및 연색지수가 아주 뛰어나 디스플레이에 응용 분야에서 응용될 수 있다.

The (Ca, Sr, Ba)MgSi2O6 : Eu^(2+), Mn^(2+) phosphors show three emission bands peaking at around 450 nm (blue), 580 nm (yellow) and 680 nm (red). the blue band originated from the allowed f-d transition of Eu^(2+) ions substituted by Ca sites. The yellow and red bands originate from the forbidden 4T1-6A1 transition of Mn^(2+) ions substituted by Mg^(2+) and Ca^(2+) sites, respectively, Electron spin resonance measurement demonstrates that Mn^(2+) ions occupy two different Ca^(2+) and Mg^(2+) sites. As an increase of Sr and Ba ratio in the (Ca, Sr, Ba)MgSi₂O_(6) : Eu^(2+), Mn^(2+) phosphors, its luminescent spectra are red-shifted, and its decay times of the blue emssion are lengthened by and order of 3. To enhance color rendering property of the green poor (Ca, Sr, Ba)MgSi₂O_(6) : Eu^(2+), Mn^(2+). Its is mixed with the green emissive (Ba, Sr)SiO4 : Eu^(2+) phosphor. the mixture excited by the near ultraviolet of 365 nm shows the various chromaticity of white light depending on the mixture ratio of (Ba, Sr)SiO₄ : Eu^(2+) to CaMgSi₂O_(6) : Eu^(2+), Mn^(2+), the correlated color temperature 4845 K to 9180 K and color rendering index from 71 to 88.