KR100371053B1 - 콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체의 제조방법 - Google Patents

콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체의 제조방법 Download PDF

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KR100371053B1 KR10-1999-0013819A KR19990013819A KR100371053B1 KR 100371053 B1 KR100371053 B1 KR 100371053B1 KR 19990013819 A KR19990013819 A KR 19990013819A KR 100371053 B1 KR100371053 B1 KR 100371053B1
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Abstract

본 발명은 콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 필터팽창 액적발생기(FEAG)를 이용하여 제조된 형광체 입자를 코팅시키고자 하는 물질의 원료용액에 넣고 분산시켜 콜로이드 용액을 수득한 다음, 이를 초음파 분무장치(ultrasonic nebulizer)를 이용하여 액적으로 만들어 관형반응기내로 유입시키고, 관형반응기 내에서의 건조-분해-반응-결정화의 과정을 거쳐 복합형광체 입자로 전환시켜 제조되는 입자의 활성화 및 결정성장을 위하여 열처리함으로써, 표면 개질을 통한 복합형광체를 제조하였다. 본 발명에 의해서 제조되는 다성분계 복합 산화물 형광체는 작은 크기에 구형의 응집이 없는 균일한 형태를 가지고 있기 때문에, 발광 효율이 우수하며 형광체 입자의 안정성이 현저히 증가된다.

Description

콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체의 제조방법{Process for Preparing Complex Fluorescent Particles by Colloid Spray Pyrolysis}
본 발명은 콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체 입자의 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 콜로이드 분무열분해법에 의해 표면 개질을 통한 새로운 물성을 가지는 복합형광체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
정보처리 시스템의 발전과 보급에 따라 정보교환 매체로서 디스플레이의 중요성이 크게 대두되고 있으며, 이에 따라 그 종류도 매우 다양화되고 있다. 현재, 가장 많이 사용되고 있는 정보 표시용 디스플레이는 CRT(cathod-ray tube; 음극성관)로서 음극선을 여기원으로 이용하는 장치이다. CRT는 간단한 장치로 우리가 원하는 충분한 정보를 전해줄 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 화면이 커짐에 따라 장치의 부피와 무게의 부담이 커지고 높은 구동전압 등의 문제점이 인식되어, 평판디스플레이의 개발에 대한 관심이 증폭되어 왔다.
최근에 국내외에서 급속히 개발이 진행되고 있는 평판디스플레이는 종래의 칼라 CRT 디스플레이의 모든 장점을 살리면서 부피와 무게를 최소화시킬 수 있는 새로운 디스플레이로서 각광받고 있다. 특히, 전계방출형 디스플레이(FED: fieldemission display)의 경우, 프랑스, 미국, 일본 등 선진국에서 연구개발을 시작한지 불과 5~6년밖에 안되었으나, 단기간에 상업화하기 위하여 많은 투자와 노력을 하고 있다. 2000년경에는 평판표시소자의 시장 규모가 2000억불을 넘을 것으로 예측되고 있어서, 국가별로 기술 경쟁이 매우 치열하다. 그러나, 제조기술은 아직도 개발단계에 머물러 있어, 기판의 종류, 팁의 재료, 제조기술, 패키지 기술, 구동방법, 형광체 개발 등 해결해야 할 과제를 많이 안고 있다.
특히, FED의 경우 1kV 이하에서 반응하는 저전압 형광체의 개발이 매우 시급한 실정이다. 왜냐하면, CRT 장치에서는 양극 전위를 수만 볼트까지 올려 사용하는데 비하여, FED의 경우에는 음극과 스크린간의 거리가 1mm 미만으로 유지되는 구조를 하고 있으므로, 400V 이하의 낮은 구동 압력이 요구되기 때문이다. 또한, CRT 디스플레이의 경우 형광체막 위에 알루미늄 보호막을 사용하여 잔류전자들의 흐름을 원활히 하며 형광체에서 나오는 가스를 장치와 차단시켜주는 역할을 하지만, 전계방출형 디스플레이의 경우에는, 낮은 구동 전류로 인하여 알루미늄 보호막을 사용할 수 없다. 그러므로, CRT 디스플레이에 사용하고 있는 황화물계 형광체(예를 들어, ZnS, CdS 및 ZnCdS)를 사용할 경우에는 전자빔에 의해 열화된 황이 음극으로 사용하는 실리콘 팁을 손상시킬 우려가 있기 때문에, 황화물계 형광체를 대체할 산화물계 형광체가 개발되어 왔다.
다성분의 산화물 형광체는 현재 대부분이 고상법에 의해 제조되고 있다. 고상법에서는 각각의 구성 성분들의 산화물들을 혼합하고 반복되는 고온에서의 열처리 및 분쇄공정을 거쳐 최종적으로 원하는 다성분 산화물 형광체를 제조하게 된다.고상법에서 순수한 조성을 얻기 위해서는 고온에서 장시간의 공정을 거쳐야 하며 반복되는 열처리 및 분쇄 과정을 거쳐야 하므로, 형광체 입자에 불순물이 함유되고 발광 특성이 저하된다. 또한, 고상법에 의해 제조되는 입자들은 일반적으로 수 마이크론 크기를 가지면서 표면이 거칠고 형태가 불균일한 단점을 지니고 있다.
이러한 고상법의 문제점을 해결하기 위하여 액상법도 많이 연구되고 있다. 공침법이나 솔-젤법과 같은 액상법은 고상법과는 달리, 매우 낮은 온도에서 원하는 다성분의 형광체를 제조할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 분자수준에서 도핑물질의 혼합이 가능하기 때문에, 보다 낮은 열처리 온도에서 좋은 형광특성을 기대할 수 있다. 그러나, 액상법에 의하여 제조되는 다성분의 산화물 형광체들도 입자의 형태가 매우 불균일하기 때문에, 균일한 크기와 형태를 요구하는 디스플레이용으로는 사용하기 어려운 문제점을 가지고 있다.
따라서, 보다 간단한 공정으로 디스플레이용으로 널리 사용될 수 있도록, 크기와 형태가 균일하며, 우수한 발광특성을 가지는 산화물 형광체의 제조방법을 개발해야 할 필요성이 대두되어 왔다.
이에, 본 발명자들은 균일한 크기와 형태를 가지는 산화물 복합형광체의 제조방법을 개발하고자 예의 연구 노력한 결과, 필터팽창 액적발생기(FEAG: filter expansion aerosol generator, 참조: 대한민국 특허 제 144599호) 또는 초음파 분무열분해장치를 액적발생 장치로 이용하여 기상법에 의한 연속공정에 의해, 크기가작고 구형의 응집이 없는 균일한 형태를 갖는 순수한 조성의 다성분의 산화물 형광체를 낮은 온도에서 수득하고, 제조된 입자의 표면 개질을 통하여 새로운 물성을 가지는 복합형광체를 제조하여, 제조된 복합형광체들의 발광 효율이 우수하며 입자를 용매에 섞을 경우 응집이 없이 잘 분산되고, 전류에 대한 안정성이 증가됨을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국, 본 발명의 주된 목적은 콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 방법에 의해 제조되는 복합형광체를 제공하는 것이다.
도 1은 FEAG(filter expansion aerosol generator)의 구성을 모식적으로 나타내는 그림이다.
도 2는 초음파 분무열분해장치의 구성을 모식적으로 나타내는 그림이다.
도 3은 FEAG 공정으로 900℃에서 제조된 YAG 입자를 900℃ 이상에서 5 시간동안 열처리한 X선 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 분무열분해법에 의해 제조된 YAG 입자의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 유로퓸 도핑농도에 따른, 900℃에서 제조하여 1200℃에서 5시간 동안 열처리한 YAG:Eu 형광체의 CL 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 Eu의 도핑 농도인 약 1.25 at.%로 하여 YAG:Eu 입자를 900℃에서 제조하고, 900℃에서 1500℃까지 100℃씩 상승시키면서 5시간동안 열처리하였 때, 열처리 온도에 따른 CL 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 FEAG 공정으로 800℃에서 제조하여 100℃ 내지 1400℃에서 1시간 동안 열처리한 Y2O3:Eu 입자의 X선회절 스펙트럼이다.
도 8은 800℃에서 FEAG 장치로 제조하여 1300℃에서 1시간 동안 열처리한 Y2O3:Eu 입자의 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 1200℃에서 1시간동안 열처리 한 Y2O3:Eu 형광체의 유로퓸 도핑농도에 따른 CL 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 Eu 도핑 농도를 7mol%로 하여 800℃에서 제조한 Y2O3:Eu 입자의 열처리 조건에 따른 CL 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 FEAG 공정을 이용하여 제조한 Y2O3:Eu 입자를 YAG:Eu 용액에 분산시킨 다음, 초음파 분무장치를 이용하여 코팅시킨 다층구조 입자의 X선회절스펙트럼이다.
도 12는 1200℃에서 3시간동안 열처리하고 YAG 단층 두께의 10배로 코팅시킨 YAG-Y2O3:Eu 복합형광체 입자의 주사전자현미경 사진이다.
도 13은 YAG:Eu을 YAG 단층 두께의 90배로 코팅하여 제조한 YAG-Y2O3:Eu 형광체 입자의 주사전자현미경 사진이다.
도 14는 YAG:Eu의 코팅 두께의 변화에 따른 YAG-Y2O3:Eu 복합형광체의 CL 특성의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 15는 여기시키는 전자빔의 전압 변화에 따른 YAG-Y2O3:Eu 복합형광체의 CL 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 1200℃에서 3시간 동안 열처리하여 제조된 YAG-Y2O3:Eu 복합형광체의 휘도 감소경향을 나타내는 그래프이다.
본 발명에서는 분무열분해장치를 이용하여 Eu이 도핑된 다성분계 산화물 형광체를 제조하였고, FEAG를 이용하여 제조된 형광체 입자를 코팅시키고자 하는 물질의 원료용액에 넣고 분산시켜 콜로이드 용액을 수득한 다음, 이를 초음파 분무장치(ultrasonic nebulizer)를 이용하여 액적으로 만들어 관형반응기내로 유입시키고, 관형반응기 내에서의 건조-분해-반응-결정화의 과정을 거쳐 복합형광체 입자로 전환시켜 제조되는 입자의 활성화 및 결정성장을 위하여 열처리함으로써, 표면 개질을 통한 복합형광체를 제조하였다.
이하, 본 발명의 콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체 제조방법을 공정별로 나누어 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
제 1공정: 형광체 입자의 수득
분무열분해법으로 제조하려는 다성분계 형광체의 양론비에 맞도록 각각의 원료성분을 증류수에 용해시켜 전구체 용액을 제조한다. 이때, 각 원료성분은 모체(host) 및 전기 모체에 도핑물질로 들어가는 활성제(activator)로 구성되며, 이들은 증류수에 잘 용해되는 금속의 염, 즉, 금속의 질산염(nitrate), 초산염(acetate), 염화물(chloride) 등을 사용하며, 바람직하게는 질산염을 사용한다. 모체로는 이트리윰, 알루미늄 또는 바륨의 수용성염을 사용하며, 활성제로는 유로퓸, 터븀, 망간 또는 세륨의 수용성염을 사용하고, 전구체 용액의 농도가 0.02 내지 1.2M 범위가 되도록 한다. 제조된 형광체 입자의 전구체 용액을 FEAG에서 필터를 이용하여 기상에서 형광체를 결정화하여 안정화시킴으로써, 직경 3 내지 10㎛, 바람직하게는 약 5㎛ 내외의 액적을 발생시킨다. 이때, 운반기체로 사용되는 공기의 유량을 400 내지 800L/min, 바람직하게는 500 내지 700L/min, 가장 바람직하게는 600L/min로 하여 내부온도 800 내지 1000℃로 유지시킨 길이 100cm, 내경 30mm의 관형 반응기 내로 액적을 유입시킨다. 반응기 내로 들어온 액적은 건조, 분해, 반응 및 결정화의 과정을 거쳐 형광체 입자로 전환되는데, 이 과정은 0.01초 내에 완료된다.
제 2공정: 형광체 입자의 코팅
제 1공정에서 수득한 형광체 입자를, 코팅시키고자 하는 용액의 모체를 각각 양론비에 맞도록 섞어 증류수에 용해시키고 활성제를 첨가한 코팅용액에 0.03 내지 3.24M 농도로 넣고 분산시켜 콜로이드 용액을 제조함으로써, 형광체 입자를 코팅시킨다. 이때, 활성제의 양은 YAG:Eu의 경우, 최적의 발광효율을 보이는 농도인 총 모체농도의 약 1.25 at.%로 한다.
제 3공정: 복합형광체 입자의 수득
제 2공정에서 수득한 형광체 입자가 분산된 코팅용액을 초음파 분무장치(ultrasonic nebulizer)를 이용하여 기상에서 복합형광체를 결정화하여 안정화시킴으로써, 직경 3 내지 10㎛, 바람직하게는 약 5㎛ 내외의 액적을 발생시킨다. 이때, 운반기체로 사용되는 공기의 유속을 2.0 내지 8.0L/min, 보다 바람직하게는 4.0 내지 6.0L/min, 가장 바람직하게는 5.0L/min로 하여 내부온도를 400 내지 500℃로 유지시킨 길이 50cm, 내부지름 2.5cm의 관형 반응기 내로 액적을 유입시킨다. 반응기 내로 들어온 액적은 건조, 분해, 반응 및 결정화의 과정을 거쳐 복합형광체 입자로 수득되는데, 반응기내 체류시간은 1.2초 이내이다.
제 4공정: 복합형광체 입자의 결정화와 활성화를 위한 후처리
전기 제 3공정에서 수득한 복합형광체 입자를 1000 내지 1500℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 가열하여 후처리한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게서 자명할 것이다.
실시예 1: YAG:Eu 형광체의 제조
전구체 용액은 이트리윰 질산염(yttrium nitrate)과 알루미늄 질산염(aluminum nitrate)을 양론비인 3:5로 섞어 증류수에 용해시킨 다음, 유로퓸 질산염(europium nitrate)을 첨가하여 제조하였다. 전구체 용액의 농도에 따라 제조되는 입자의 크기변화를 살펴보기 위하여, 이트리윰 질산염과 알루미늄 질산염의 농도를 0.02M 내지 1.2M로 변화시키면서 제조되는 입자의 크기를 측정하였다. 또한, 도핑시킨 유로퓸 질산염에 따른 발광특성을 알아보기 위하여, Eu의 양을 용질양의 0.15 at.% 내지 2.85 at.%로 변화시켜 실험하였다. 전기에서 수득한 형광체 입자의 전구체 용액을 FGAE 장치를 이용하여 직경 5㎛의 액적으로 분무시켰다. 분무된 액적은 관형반응기내로 유입되는데, 이때 관형반응기의 온도는 900℃로 일정하게 유지시켰으며, 내부압력은 60torr로 고정시켰다. 이러한 실험 조건하에서, 반응기 내부의 체류시간은 10μsec로 계산되었다. 반응기 내에서 제조된 입자는 활성화와 결정성 성장을 위하여, 5시간 동안 열처리하였으며, 열처리 온도에 따른 변화를 살펴보기 위하여, 600℃에서 1500℃까지 100℃씩 상승시키면서 실험하여, 1400℃가 최적의 열처리 조건임을 확인하였다.
제조된 입자들은 X선회절장치(XRD: X-ray diffractometer)와 주사전자현미경(SEM: scanning electron microscopy)을 통해서 각각 결정화도와 입자의 형태를 관찰하였고, 원심입자크기분석기(CPSA: centrifugal particle size analyzer)를 이용하여 입자의 크기 및 크기 분포를 조사하였다. 입자들의 광학적인 성질은 분광광도계(spectrophotometer)를 이용하여 발광(PL: photoluminescence) 특성들을 조사하였다. 입자를 여기시키기 위하여 크세논 램프(xenon lamp)를 사용하여 UV를 발생시켜 사용하였다.
도 3은 FEAG 공정으로 900℃에서 제조된 YAG 입자를 900℃ 이상에서 5 시간동안 열처리한 X선 스펙트럼이다. 900℃에서 제조된 입자들은(P) 비교적 낮은 온도와 반응기 안에서의 짧은 체류시간 때문에 결정성장이 이루어지지 않은 무정형의 입자가 제조되었으나, 5 시간 동안 900℃ 이상의 온도에서 열처리 된 입자들은(P,A) 순수한 YAG(Y3Al5O12: yttrium aluminum garnet) 결정성을 나타내었으며, 열처리 온도가 900℃에서 1500℃로 증가할수록 입자의 결정성은 더욱 증가하였다. FEAG로 입자를 제조할 경우 여러 성분들이 잘 혼합되어 있기 때문에, 고상법으로 YAG를 제조할 경우, 순수한 상을 얻기 위해 1800℃에서 열처리 해야하는 것과는 달리 낮은 온도에서 순수한 YAG 상을 얻을 수 있었다.
도 4는 분무열분해법에 의해 제조된 YAG 입자의 주사전자현미경 사진이다. 제조된 YAG 입자는 작은 구형을 나타내고 있으며, 평균 입자크기는 전구체의 농도가 증가할수록 커졌다. 즉, CPSA로 측정한 평균 입자 크기를 보면 YAG:Eu의 경우 입자의 평균 크기는 전구체의 농도가 0.02에서 1.2mol/L로 변화함에 따라 0.45에서 1.0μm의 크기를 가졌다. 분무열분해법으로 제조된 입자들은 모두 구형을 나타냈으며, 1300℃ 이하의 온도에서 열처리한 입자의 경우, 열처리 한 후에도 입자들의 응집이 적게 일어났음을 알 수 있었다. 그러나, 1400℃ 이상에서 열처리 한 경우, 작은 입자들 표면에서 응집이 일어나 입자들이 서로 엉켜 붙어 있는 모습을 볼 수 있었다. 그러나, 입자들의 엉김이 일어나기 전까지는 구형의 크기분포가 적은 입자가 제조되었다.
최적의 유로퓸 첨가량을 CL(cathodoluminescence; 음극선 발광) 특성으로 확인하였다. 활성제로 사용된 유로퓸의 도핑양을 0.15 at.% 내지 2.85 at.%로 변화시키면서 900℃에서 형광체 입자를 제조하였고, 제조된 입자를 1000℃에서 5시간동안 열처리하여 도 5에 나타내었다. CL 측정은 10-6torr로 유지시킨 진공 체임버(chamber)에서 전자총(field emitter array)으로 여기시켜, 양극전압(anode voltage)은 400V, 전류 밀도는 50μA/m2로 하여 수행하였다. 활성제는 빛을 발광하는 물질이지만, 너무 많은 양을 첨가하면 농도 소광 현상이 일어나기 때문에, 적절한 도핑 농도의 선택이 중요한데, FEAG로 제조한 YAG:Eu 입자의 경우 약 1.25 at.%에서 최적의 발광효율을 나타내었다. Eu를 최적의 도핑 농도인 약 1.25 at.%로 하여 YAG:Eu 입자를 900℃에서 제조하고, 900℃에서 1500℃까지 100℃씩 상승시키면서 5시간동안 열처리하였 때, 열처리 온도에 따른 CL 특성을 도 6에 나타내었다. 분석조건은 상술한 CL 측정조건과 동일하며, 1400℃에서 5시간동안 열처리 하였을 경우, 최적의 발광효율을 나타내었다. X선회절장치 스펙트럼 분석 결과에서, 열처리 온도가 증가하면 결정성과 유로퓸의 YAG 결정 내 치환량이 증가와 함께 CL이 증가하였다. 그러나, 주사전자현미경으로 살펴보았을 때, 열처리 온도가 증가하면 형광체 입자들 사이의 엉김 현상이 일어나서 형광특성이 저하되므로, 열처리 온도에 따른 결정화도와 엉김 현상을 모두 고려하여 최적화된 소성 조건을 찾았으며, 이는 1400℃에서 5시간동안 열처리한 경우로, 이때 제조된 입자는 55cd/m2의 값을 가진다. 여기 스펙트럼(excitation spectra)은 230nm 및 305nm에서 최대 피크(maximum peak)가 나타났고, 방출 스펙트럼(emission spectra)은 붉은색인 614nm에서 최대 피크가 형성되었다.
실시예 2: Y2O3:Eu 형광체의 제조
전구체 용액은 이트리윰 질산염(yttrium nitrate) 및 유로퓸질산염(europium nitrate)을 증류수에 용해시켜 제조하였다. 최적의 발광효율을 나타내는 도핑농도를 찾기 위하여, 이트리윰 질산염(yttrium nitrate)의 농도를 0.2M로 고정시킨 다음, Eu의 양을 용질양의 1mol% 내지 12mol%로 변화시키면서 입자를 제조하였다. 전기에서 수득한 형광체 입자의 전구체 용액을 FEAG 장치를 이용하여, 직경 5㎛의 액적으로 분무시켰다. 분무된 액적은 관형반응기내로 유입되는데, 이때 관형반응기의 온도는 800℃로 일정하게 유지시켰으며, 내부압력은 60torr로 고정시켰다. 이런 조건에서 반응기 내부의 체류시간은 10μsec로 계산되었다. 제조된 입자는 도핑물질의 활성화와 결정성장을 위하여 1시간 동안 열처리하였다. 열처리조건에 따른 변화를 살펴보기 위하여, 1000℃에서 1500℃까지 100℃씩 올려가며 최적의 열처리 조건을 찾았다.
실시예 1과 마찬가지로, 제조된 입자들은 X선회절장치(XRD: X-ray diffractometer)와 주사전자현미경(SEM: scanning electron microscopy)을 통해서 각각 결정화도와 입자의 형태를 관찰하였고, 원심입자크기분석기(CPSA: centrifugal particle size analyzer)를 이용하여 입자의 크기 및 크기 분포를 조사하였다. 입자들의 광학적인 성질은 분광광도계를 이용하여 발광(PL: photoluminescence) 특성들을 조사하였다. 입자를 여기시키기 위하여 크세논 램프(xenon lamp)를 사용하여 UV를 발생시켜 사용하였다.
도 7은 FEAG 공정으로 800℃에서 제조하여 100℃ 내지 1400℃에서 1시간 동안 열처리한 Y2O3:Eu 입자들의 X선회절 스펙트럼이다. 도 7에서 보듯이, YAG:Eu와는 달리 Y2O3:Eu의 경우에는, FEAG 장치에서 800℃로 입자를 제조한 다음 열처리 없이도 어느 정도의 Y2O3피크를 나타내었으며, Y2O3:Eu의 열처리 온도가 1500℃까지 증가할수록 결정성이 성장하는 것을 확연히 볼 수 있었다.
도 8은 800℃에서 FEAG 장치로 제조하여 1300℃에서 1시간 동안 열처리한 Y2O3:Eu 입자의 주사전자현미경 사진이다. 열처리 후에도 여전히 구형의 모양을 가지고 있으며, 비교적 고온에서 열처리 한 후에도 입자 표면간에 응집이 일어나지 않았다. Y2O3:Eu의 경우 YAG:Eu과는 달리 고온에서 열처리하였을 때, 입자 내부에 미세결정(crystallite)들이 뭉쳐있는 모습을 볼 수 있었다. 그 경향은 1300℃에서 열처리하였을 때 확연히 나타났으며, 1500℃에서 열처리하였을 경우에는 작은 미세결정들이 다시 녹아 표면에 달라붙어 속이 채워진 입자가 형성되나, 내부의 미세결정들이 녹아 붙으며 입자간의 응집이 일어남을 확인할 수 있다.
열처리하지 않은 입자의 크기분포를 CPSA를 이용하여 측정하였다. 0.2M 농도의 전구체 용액을 800℃로 유지시킨 관형반응기에서 제조한 입자의 평균 크기는 0.88μm으로 대부분의 입자들은 2μm 이하의 크기를 나타내었으며, 이는 SEM사진으로도 확인할 수 있다. 이처럼 분무열분해법으로 입자를 제조하면 입자 크기가 매우 고른 입자를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
최적의 유로퓸 첨가량을 CL 특성으로 확인하였다. CL 측정 조건은 YAG:Eu의 경우와 동일하게 하고, 활성제로 사용된 유로퓸의 도핑양을 4mol%에서 12mol%까지 변화시키면서 제조하여, 제조된 입자를 1200℃에서 1시간동안 열처리하였을 때, 도9에서 보듯이, FEAG로 제조한 Y2O3:Eu 입자의 경우 7mol%에서 최적의 발광효율을 나타냄을 알 수 있다.
열처리 조건에 따른 CL 특성을 분석하여 도 10에 나타내었다. 최적의 Eu 도핑 농도인 7mol%의 Y2O3:Eu 입자를 800℃에서 제조하여, 900℃에서 1500℃까지 100℃씩 바꾸어가며 1시간동안 열처리하였다. 상기 CL 측정조건과 동일한 분석조건에서 최적의 발광효율을 나타내는 입자는 가장 높은 열처리 조건인 1500℃에서 1 시간동안 열처리하였을 경우였다. YAG:Eu의 경우 결정성과 유로퓸의 치환량이 증가하여 CL이 증가하나, 형광체 입자들 사이의 엉김 현상 때문에 1400℃에서 5 시간동안 열처리한 조건에서 최적화된 소성 조건을 가지게 되지만, Y2O3:Eu의 경우 고온에서 열처리하여도 입자간의 엉김 현상이 잘 일어나지 않기 때문에 가장 높은 열처리 조건에서 최적의 발광효율을 나타내게 되며, 이때의 값은 310cd/m2이었다.
실시예 3: YAG-Y2O3:Eu 복합형광체의 제조
상술한 바와 같이, Eu이 도핑된 Y2O3의 경우 높은 발광효율을 보이나, 낮은 전기전도도 때문에 전류에 쉽게 포화되며 열화현상을 보이는 등 수명이 짧은 단점이 있어, 열이나 전류에 강한 형광체인 YAG:Eu을 초음파 분무장치를 이용한 분무열분해법으로 코팅하여 Y2O3:Eu의 표면성질을 개선하고자 하였다.
우선, FEAG를 이용한 분무열분해법으로 유로퓸 질산염을 최적의 도핑농도인 7mol%로 도핑하여 Y2O3:Eu을 제조한 다음, 제조된 입자를 YAG:Eu 용액에 넣고 잘 분산시켰다. 이때, 준비된 YAG:Eu 용액은 이트리윰 질산염과 알루미늄 질산염을 각각 YAG의 양론비인 Y:Al을 3:5로 섞어 증류수에 용해시키고, 유로퓸 질산염의 양은 최적의 발광효율을 보이는 농도인 이트리윰 질산염과 알루미늄 질산염 총 농도의 약 1.25 at.%로 고정시켜 제조하였다. YAG:Eu 코팅 두께에 따른 형광체의 발광특성을 살펴보기 위하여, YAG 용질의 농도를 1g의 Y2O3:Eu 입자당 0.036M 내지 3.24M로 바꾸어 가며 코팅하였다. Y2O3:Eu 입자가 분산된 YAG:Eu 용액을 초음파 분무장치를 이용하여 액적으로 만든 다음, 공기를 운반기체로 하여 관형반응기내로 유입시켰다. 관형반응기의 내부지름은 2.5cm이고 길이는 50cm이며, 관형반응기의 온도는 450℃로 유지시켰고 운반기체인 공기의 유속은 5.0 L/min이다. 이러한 조건에서 반응기내 체류시간은 1.2초로 계산되었다. 제조된 입자는 활성화와 결정성장을 위하여 3시간동안 열처리하였다. 열처리조건에 따른 변화를 살펴보기 위하여 1000℃에서 1400℃까지 200℃씩 올려갔을 때, 1200℃가 최적의 열처리 온도임을 알았다.
실시예 1과 마찬가지로, 제조된 입자는 XRD와 SEM을 통해서 각각 결정화도와 입자의 형태를 관찰하였고, CPSA를 이용하여 입자의 크기 및 크기 분포를 조사하였으며, 입자들의 광학적인 성질은 분광광도계를 이용하여 발광 특성들을 조사하였고, 입자를 여기시키기 위하여 크세논 램프를 사용하여 UV를 발생시켜 사용하였다.도 11은 FEAG 공정을 이용하여 제조한 Y2O3:Eu 입자를 YAG:Eu 용액에 분산시킨 다음, 초음파 분무장치를 이용하여 코팅시킨 다층구조 입자의 X선회절스펙트럼이다. YAG:Eu 용액의 농도를 변화시켜 YAG:Eu의 코팅 두께를 조절하였으며, 450 ℃로 유지시킨 관형반응기에서 제조한 다음 1200℃에서 3시간동안 열처리하였다. 도 11에서 보듯이, 코팅된 YAG:Eu의 두께가 YAG 단층(monolayer) 두께를 기준으로 10배에서(도 11의 (10)) 90배로(도 11의 (90)) 증가함에 따라, Y2O3:Eu의 피크는 작아지고, YAG 피크가 성장하는 것을 볼 수 있으며, 특히, YAG:Eu이 기준두께의 90 배가되었을 때 YAG:Eu의 피크를 확연히 볼 수 있었다. 그러나, YAG 피크외에도 Y-Al계 부산물인 YAP, YAM이 공존하는 것을 볼 수 있는데, 이는 코팅된 YAG:Eu 중 알루미늄과 Y2O3:Eu 입자의 이트리윰이 코팅시킨 계면에서 열처리 과정 중에 반응하여 생성되었다.
도 12는 YAG:Eu가 YAG 단층 두께의 10배로 코팅된 YAG-Y2O3:Eu 복합형광체 입자의 주사전자현미경 사진이다. 제조된 입자는 YAG:Eu을 YAG 단층 두께의 10배로 코팅하여 450℃에서 제조하였으며 1200℃에서 3시간동안 열처리하였다. 도 12에서 보듯이, Y2O3:Eu 입자에 YAG:Eu이 잘 코팅되어 있음을 확인할 수 있었다. 코팅되지 않은 순수한 Y2O3:Eu의 경우, 도 8에서 보듯이 구형의 입자 내부에 미세결정이 뭉쳐있는 것을 볼 수 있었으나, YAG:Eu으로 코팅된 후 작은 Y2O3:Eu 입자들이 뭉쳐져 있는 모습은 발견할 수 없었다. 다만, 열처리하기 전의 입자는 구형의 모양을 잘 유지하고 있으나, 낮은 반응기 온도에서 제조된 입자를 1200℃에서 3시간동안의 열처리로 인하여 많은 입자들이 깨져있는 것을 볼 수 있었다. 도 13은 YAG:Eu을 YAG 단층 두께의 90배로 코팅하여 제조한 YAG-Y2O3:Eu 형광체 입자의 주사전자현미경 사진이다. 입자는 450℃에서 제조하였으며 1200℃에서 3시간동안 열처리하였다. 도 12 및 도 13의 주사전자현미경 사진으로 알 수 있듯이, 기준두께(YAG 단층 두께)의 10배에서 90배로 YAG:Eu의 코팅 두께를 증가시킴에 따라, 입자간의 엉김이 적게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한, 같은 결과를 CPSA로도 확인하였는데, YAG:Eu의 코팅 두께가 기준 두께의 10 배에서 90 배로 증가함에 따라 평균 입자크기가 1.18μm에서 1.02μm으로 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 YAG:Eu의 코팅 두께가 증가할수록 YAG 결정이 성장하여, 열에 대한 물성이 우수한 YAG의 성질을 나타내었기 때문이다.
코팅시킨 YAG:Eu의 두께가 변화함에 따라 발광 특성이 어떻게 변화하는지 살펴보기 위하여, YAG:Eu를 기준 두께의 10 배에서 90 배로 변화시켜가며 제조한 입자의 CL 특성을 측정하였다(참조: 도 14). 분석조건은 YAG:Eu의 경우와 동일하였고, 450℃에서 제조된 입자는 1200℃에서 3 시간동안 열처리하였다. 도 14에서 보듯이, YAG:Eu으로 코팅된 Y2O3:Eu 입자의 CL값은 YAG:Eu과 Y2O3:Eu의 중간값들을 가지며, 밝기는 순수한 YAG:Eu에 비하여 약 30% 증가하였다. YAG:Eu의 코팅두께가 기준두께의 90 배인 경우, 발광효율이 증가하였는데, XRD의 결과에서 알 수 있듯이 발광에 나쁜 영향을 끼치는 YAP, YAM과 같은 불순물이 감소하며 YAG가 많이 생성되었기 때문이다. 1200℃에서 3시간 동안 열처리한 입자에 대하여 여기시키는 전자빔의 전압을 변화시켜가며 CL 특성을 측정한 결과, 상기의 결과와 마찬가지로 200V 내지 600V 사이에서 모두 여기 전압이 증가할수록 YAG-Y2O3:Eu 복합형광체의 CL 특성이 증가함을 알 수 있었다(참조: 도 15).
형광체에 장시간동안 전자빔을 주사하게 되면 제거되지 않은 잔류 전류에 의해 휘도가 감소하게 되는데, 초기 휘도에서 감소된 양을 비교함으로써 형광체의 안정성을 평가하였다. 듀티 사이클(duty cycle)을 1로 한 상태로 형광체에 전자빔을 계속해서 주사시켜 그 밝기의 감소폭을 측정하였다. 도 16은 1200℃에서 3시간 동안 열처리하여 제조된 YAG-Y2O3:Eu 복합형광체의 전류에 대한 안정성을 평가한 결과로, 순수한 Y2O3:Eu의 경우 전류에 대한 휘도 감소가 초기 휘도를 기준으로 약 55% 이상이지만, YAG:Eu으로 코팅할 경우 감소폭이 줄어들며(약 10 내지 20 %), 전류에 대한 휘도 감소 경향은 YAG:Eu의 코팅 두께가 증가할수록 작아짐을 알 수 있었다.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 분무열분해법에 의한 다성분계 복합형광체 및 그의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 의해서 제조되는 다성분계 복합형광체는 작은 크기에 구형의 응집이 없는 균일한 형태를 가지고 있기 때문에, 발광 효율이 우수하며 형광체 입자의 안정성이 현저히 증가된다.

Claims (8)

  1. 형광체 입자의 원료성분이 용해된 전구체 용액을 필터팽창 액적발생기(FEAG)를 이용하여 액적으로 전환시킨 다음, 이를 관형반응기 내에서 건조, 분해, 반응 및 결정화시켜 형광체 입자를 수득하는 공정;
    상기 형광체 입자를, 모체 수용액에 활성제를 첨가한 코팅용액에 분산시켜 형광체 입자를 코팅시키는 공정;
    상기 코팅된 형광체 입자를 초음파 분무장치(ultrasonic nebulizer)를 이용하여 액적으로 전환시킨 다음, 이를 관형 반응기에서 건조, 분해, 반응 및 결정화시켜 복합형광체 입자를 수득하는 공정; 및,
    상기 복합형광체 입자를 열처리하는 공정을 포함하는
    콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    원료성분은 모체(host) 및 모체에 도핑물질로 들어가는 활성제(activator)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    모체는 이트리윰, 알루미늄 또는 바륨의 수용성염인 것을 특징으로 하는
    콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체 제조방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    활성제는 유로퓸, 터븀, 망간 또는 세륨의 수용성염인 것을 특징으로 하는
    콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    형광체 입자의 수득시, 이용되는 관형 반응기는 운반기체로 사용되는 공기의유속이 400 내지 800L/min이고 내부온도가 800 내지 1000℃로 유지되는 것을 특징으로 하는
    콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    복합 형광체 입자의 수득시, 이용돠는 관형 반응기는 운반기체로 사용되는 공기의 유속이 2.0 내지 8.0L/min이고 내부온도가 400 내지 500℃로 유지되는 것을 특징으로 하는
    콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    열처리는 1000 내지 1500℃에서 1 내지 5시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는
    콜로이드 분무열분해법에 의한 복합형광체 제조방법.
  8. Y2O3:Eu 형광체 입자를, Y:Al을 3:5의 양론비로 섞어 증류수에 용해시키고유로퓸 질산염의 양을 이트리윰 질산염과 알루미늄 질산염 총 농도의 1.25 at.%가 되도록 첨가한 YAG:Eu 용액에 넣고, 분산시켜 제 1항의 방법에 의해 제조된 YAG-Y2O3:Eu 복합형광체.
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