KR100625551B1 - 진공 자외광여기 녹색 형광재료 및 그를 사용한 발광 소자 - Google Patents

진공 자외광여기 녹색 형광재료 및 그를 사용한 발광 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래 형광재료들의 문제점들을 극복하기 위한 것으로, 특히, 녹색 형광 물질들이 청색광 또는 적색광 발광을 가지는 경우, 컬러 디스플레이 유닛 상에서 불충분한 휘도 및 색 순도의 문제를 극복하기 위한 것이다. 본 발명은 일반식 (Y1-x-yGdxTby)Al3-zScz(BO3)4 (여기서, 0≤x<0.5, 0<y<0.5, 0<z≤3) 으로 표현되는 테르븀, 가돌리늄-도핑된 희토류 알루미늄 스칸듐 붕산염을 포함하는, 진공 자외광여기 녹색 형광재료를 제공한다. 본 발명의 형광재료들은 발광 소자로 사용될 수 있다. 청색 형광재료 및 적색 형광재료들을 조합하여 녹색 형광재료를 사용하는 것은 백색광 발광 소자의 형성을 가능하게 한다.
진공 자외광여기 형광체, 형광재료, 발광 소자

Description

진공 자외광여기 녹색 형광재료 및 그를 사용한 발광 소자{VACUUM ULTRAVIOLET EXCITED GREEN PHOSPHOR MATERIAL AND LIGHT-EMITTING DEVICE USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 및 2의 파장들에서 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 형광재료들의 Sc 도핑 농도에 대한 상대적 발광 강도를 나타낸 그래프.
1. 기술분야
본 발명은 진공 자외광여기 녹색 형광재료 및 그 동일한 재료를 사용하는 발광 소자에 관한 것이다.
2. 종래 기술의 설명
현재, 수은을 포함하는 형광램프들을 일반적으로 조명으로 사용하고 있다. 이 수은 증기 램프는 수은 증기 방전을 이용하여 자외선 방사를 발생시켜, R (적색: 피크 발광 파장이 600 내지 650nm인 적색 파장 범위), G (녹색: 피크 발광 파 장이 535 내지 570nm인 녹색 파장 범위), B (청색: 피크 발광 파장이 440 내지 470nm인 청색 파장 범위) (이하, R. G. B라 약칭함) 3개의 형광재료를 발광시켜, 백색 형광램프로써 발광시킨다. 그러나, 이들 형광램프들은 그 내부에 환경에 해로운 수은을 사용하고 있으며, 따라서, 크세논 등의 희가스 (rare gas) 를 사용하는 무수은 (mercury-free) 형광램프의 개발이 절실히 요청되고 있다. 크세논을 포함하는 무수은 형광램프는 크세논 방전을 이용하여 진공 자외광을 발광시켜, R. G. B, 3 컬러들의 형광재료들을 발광시킴으로써, 백색광을 제공한다.
한편, 종래 CRT를 사용하는 디스플레이 유닛에서는, 최근 디스플레이 스크린의 대형화 경향이 확대됨에 따라, 그들의 무게 및 두께가 문제시되고 있으며, 가볍고 얇은 타입의 디스플레이 유닛이 강력히 요청되고 있다. 그 결과, 플라즈마 디스플레이 패널 및 액정 디스플레이 등의 평평한 평판 디스플레이의 개발이 절실히 요청되고 있다.
플라즈마 디스플레이 패널에서는, 컬러 디스플레이를 희가스의 전기 방전에 의하여 플라즈마를 발생시켜 그 발생된 플라즈마를 통해 진공 자외광을 생성하고, 그 진공 자외광여기에 의해 R. G. B의 3 픽셀 컬러의 형광재료들을 발광시킴으로써 실현한다.
한편, 액정 디스플레이에서는, 액정 디스플레이들이 자체 발광 타입의 디스플레이가 아니기 때문에, 외부 광을 사용하는 반사 타입 디스플레이 및 액정 후면 상에 백라이트를 탑재한 백라이트 타입의 디스플레이가 사용된다. 그러나, 대형 액정 디스플레이에서는, 일반적으로 백라이트 타입이 이용된다. 컬러 디스 플레이를 제공하기 위해서, 백라이트가 액정 소자의 후면측으로부터 R, G, 및 B 광으로 이루어진 백색광을 조사하고, 컬러 필터가 액정 소자를 투과하는 그 백색광을 R, G, 및 B로 분리한다.
또한, 플라즈마 디스플레이 패널에 이용되는 형광재료들 및 액정 디스플레이의 백라이트들은 동일한 휘도, 색도 등의 광학적 특성 및 에이징 (aging) 특성 을 가지도록 요구된다.
일본 공개특허공보 제2003-297291호는 발광 피크 파장이 505 내지 535nm인 녹색 형광재료로서 세륨, 테르븀-도핑된 란탄 붕산염 (LaPO4: Tb, Ce) 및 테르븀-도핑된 마그네슘 세륨 알루민산염 (CeMgAl11O19: Tb) 을 개시하고 있다.
또한, 일본 공개특허공보 제2003-96448호는, 고휘도를 가지며 그들의 플라즈마에 노출에 기인한 휘도의 감소가 적은, 화학식 Y1-a-bGdaTbbAl3 (BO3)4 (여기서, 0.3≤a≤0.55, 0.003≤b≤0.44) 로 표현되는 알루미늄 붕산염 녹색 형광재료 녹색 형광재료를 개시하고 있다.
최근 무수은 형광램프로서 상당히 각광받고 있는 크세논 방전을 이용하는 형광램프들은 수은 방전을 이용하는 형광램프들에 비해 에너지 변환 효율이 조악하다. 가정용 애플리케이션으로 이용하기 위해서는, 그 형광램프들이 고휘도를 가지는 것이 요구된다. 수은 형광램프와 동일한 레벨까지 크세논 형광램프의 휘도를 증대시키면, 실제 이용시에, 전력소모를 저감할 수 있다. 따라서, 형광재료들의 휘도를 향상시키는 것이 불가피하다.
플라즈마 디스플레이들 및 액정 디스플레이들은 음극선관의 대안들이다. 또한, 가정에서 이들을 이용할 수 있도록 하기 위해서는, 고휘도를 가지는 것이 요구된다. 그러나, 현재 사용하는 플라즈마 디스플레이 패널에서는 이러한 요구들을 완전히 만족시키는 휘도를 가지고 있다고 말하기 어렵다. 액정 디스플레이들은 백라이트로부터 휘도를 획득하기 때문에, 백라이트의 휘도를 증가시켜 고휘도에 대한 요구들을 만족시킬 수 있다. 그러나, 전력 소비에 관점에서는, 좀 더 효율적이며 더 얇은 액정 디스플레이들에 대한 요청이 계속되고 있다. 따라서, 용이한 평판 발광 소자의 형성을 가능케 하는 형광 튜브들의 휘도를 향상시키는 것이 불가피하다.
동시에, 종래 기술의 설명에서 나타낸 바와 같은 고휘도 및 녹색 형광재료의 좀더 높은 색 순도에 대한 강력한 요청이 계속되고 있다.
휘도의 증가 및 색 순도의 개선에 대한 요청들은 플라즈마 디스플레이 패널에서 특히 현저하다. 이는 TV 방송의 시스템이 종래의 NTSC 시스템으로부터 하이비전 디지털 제품 시스템으로 이전하고 있다는 사실과 관련이 있을 수 있다. 하이비전 디지털 제품 시스템은 1920×1080픽셀의 풀 스펙 (full spec) 을 요구하지만, 현재의 37″내지 42″플라즈마 디스플레이 패널은 단지 1024×768픽셀만을 가지고 있을 뿐이다. 만일 플라즈마 디스플레이 패널들이 현재의 픽셀 크기를 유지하면서 제조된다면, 제조되는 패널들은 55″내지 63″의 TV가 될 것이다. 가정에서 일반적으로 사용되는 대략 40″플라즈마 디스플레이 패널이 하이비전의 풀 스펙의 표준을 만족하도록 하기 위해, 픽셀 크기를 현재의 2/3 또는 그 이하로 감소시키는 것이 필수적이다. 만일 픽셀 크기를 현재 크기의 2/3로 감소시키면, 형광재료들의 휘도는 현재 형광재료의 휘도보다 1.5배 내지 그 이상이 되는 것이 요구된다. 따라서, 형광재료의 휘도를 증가시키는 것이 불가피하다.
종래 형광재료의 색 순도의 문제도 존재한다. 예를 들어, 녹색 형광재료가 청색 발광 또는 적색 발광을 가지게 되면, 색의 불균일이 발생할 것이다.
본 발명은 전술한 문제들을 극복하기 위한 형광재료를 제공한다.
본 발명은 일반식 (Y1-x-yGdxTby)Al3-zScz(BO3 )4 (여기서, 0≤x<0.5, 0<y<0.5, 0<z≤3) 로 표현되는 테르븀, 가돌리늄-도핑된 희토류 알루미늄 스칸듐 붕산염을 포함하는 진공 자외광여기 녹색 형광재료들을 제공한다.
본 발명은, 광투과 밀봉용기; 상기 광투과 밀봉용기내에 봉입되어 진공 자외선을 발광하는 방전 매체; 방전 전극; 및 상기 광투과 밀봉용기 내측 상에 형성된 형광체층을 구비하는 자외형광 발광소자로서, 그 형광체층은 일반식 (Y1-x-yGdxTby)Al3-zScz(BO3)4 (여기서, 0≤x<0.5, 0<y<0.5, 0<z≤3) 로 표현되는 테르븀, 가돌리늄-도핑된 희토류 알루미늄 스칸듐 붕산염인 진공 자외광여기 녹색 형광재료들을 함유하는, 자외형광 발광소자를 제공한다. 또, 본 발명은 광투과 밀봉용기, 진공 자외선을 발광하기 위해 상기 광투과 밀봉용기로 봉입된 방전 매체, 방전 전극 및 상기 광투과 밀봉용기 내측 상에 형성된 형광체층을 구비하는 백색광 발광소 자로서, 그 형광체층은 일반식 (Y1-x-yGdxTby)Al3-zScz (BO3)4 (여기서, 0≤x<0.5, 0<y<0.5, 0<z≤3) 로 표현되는 테르븀, 가돌리늄-도핑된 희토류 알루미늄 스칸듐 붕산염인 진공 자외광여기 녹색 형광재료, 진공 자외광여기 청색 형광재료, 및 진공 자외광여기 적색 형광재료를 함유하는, 백색광 발광소자를 제공한다.
본 발명들의 형광재료들은 종래의 것보다 더 효율적인 녹색광의 발광원을 제공할 수 있다. 표 1은, 크세논 분자방전을 이용하여 진공 자외선 (파장 172nm) 에 의해 여기될 경우, 상대적 적분 발광강도에서 본 발명의 형광재료들이 매우 효율적이라는 것을 나타낸다. 종래의 청색 형광재료 (예를 들면 BAM 형광재료) 또는 적색 형광재료 (예를 들면, Y2O3:Eu,(Y, Gd)BO3:Eu) 와 조합하여 사용하면, 본 발명의 형광재료들은 매우 효율적인 백색 광원으로써 제공될 수 있다.
표 1에 나타낸 색도 좌표의 값들에서 알 수 있는 바와 같이, 녹색의 색 순도는 본 발명의 형광재료들에서의 값이 종래의 녹색 형광재료에서의 값보다 더 우수하다. 이는 540 내지 550nm에서의 녹색광 발광에 기인할 뿐만 아니라, 대략 480 내지 500nm의 청색광 발광 및 파장이 575nm 보다 더 장파장 범위의 적색광 발광이 종래 형광재료에 비해 약하다는 사실에 기인한다. 따라서, 종래의 형광재료들에 비해, 녹색의 우수한 색 순도를 가진 플라즈마 디스플레이 패널 등의 디스플레이 유닛들을 제공할 수 있다.
발명의 상세한 설명 및 바람직한 실시형태
집중적인 연구 노력 끝에, 본 발명의 발명자들은, 가돌리늄 (Gd) 및 테르븀 (Tb)-도핑된 YAl3(BO3)4 결정을 알루미늄 (Al) 의 일부 대신에 스칸듐 (Sc) 도핑하면, LAP 형광재료의 대체물로서 더 우수한 형광재료를 획득함을 발견하여, 본 발명을 완성하였다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 형광재료의 녹색광의 발광은 540nm 내지 550nm에서 발생된다. 도 2를 참조하면, 알루미늄을 스칸듐으로 도핑하면, 비교예 2의 형광재료 (Y0.55Gd0.25Tb0.2)Al3(BO 3)4 에 비해, 26%만큼 피크 발광 강도가 향상됨을 알 수 있다. 또한, 도 2 및 표 1은, Sc를 도핑하면, 대략 24%만큼 형광재료의 휘도가 향상됨을 나타낸다.
상기 형광재료들은 다음과 같은 제품들에 적용가능하다.
1. 유리 튜브; 크세논 등의 유리 튜브로 봉입된 희가스; 및 유리 튜브의 내벽 상에 도포된 형광재료들을 구비하는, 크세논 방전을 이용하는 형광 튜브 램프.
형광재료를 유리 튜브의 내측 상에 도포하여 진공 자외선에 노출시킬 경우 효율적으로 발광하는 청색 형광재료들 (예를 들어, BAM 형광재료) 및 적색 형광재료 (예를 들면, Y2O3:Eu,(Y, Gd)BO3:Eu) 와 혼합시킨 경우, 최적의 백색 형광램프가 제조된다.
2. 상기 제품의 유리관을 시트 형상의 평면 유리로 대체한, 크세논 방전을 이용한 평면 형광램프.
3. 플라즈마 디스플레이 패널의 녹색 픽셀.
실시예
일반식 (Y1-x-yGdxTby)Al3-zScz(BO3) 4 (여기서, 0≤x<0.5, 0<y<0.5, 0<z≤3) 로 표현되는 테르븀, 가돌리늄-도핑된 희토류 알루미늄 스칸듐 붕산염을 포함하는 본 발명의 진공 자외광여기 형광재료들에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 일반식 (Y1-x-yGdxTby)Al3-zScz(BO3 )4 (여기서, 0≤x<0.5, 0<y<0.5, 0<z≤3) 로 표현되는 테르븀, 가돌리늄-도핑된 희토류 알루미늄 스칸듐 붕산염을 포함하는 본 발명의 진공 자외광여기 형광재료들을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 형광체의 원재료로서, 산화 이트륨 등의 이트륨 화합물, 산화 가돌리늄 등의 가돌리늄 화합물, 산화 테르븀 등의 테르븀 화합물, 산화 알루미늄 등의 알루미늄 화합물, 산화 스칸듐 등의 스칸듐 화합물, 및 산화 붕소 등의 붕소 화합물을 사용하며, 원재료들을 조성식에 따라 칭량하여 채취하고, 건식 또는 습식 혼합에 의해 혼합한다.
그 혼합물을 알루미나 또는 백금 도가니 등의 방열 용기에 충진하여, 400 내지 600℃ 분위기에서 예비 소성한다. 그리고, 예비 소성된 혼합물을 900 내지 1200℃ 분위기에서 3 내지 20시간동안 소성하며, 그 소성한 생성물을 분쇄, 세정, 건조 및 체질하여 본 발명의 형광재료를 획득한다. 그 예비 소성 및 최종 소성은 산화 분위기에서 수행할 수도 있다. 또한, 이렇게 소성된 형광재료를 재소성시킬 수도 있다.
그 형광재료들의 상대 강도비율들은 도 1에 나타나 있다. 제 1 샘플의 형광재료를 일 예로 설명한다. 그 형광재료는 다음과 같이 합성하였다.
먼저, 1.218g의 Y2O3 (Kojundo Chemical Lab. Co., Ltd. 제조), 0.889g의 Gd2O3 (Kojundo Chemical Lab. Co., Ltd. 제조), 0.733g의 Tb4O7 (Kojundo Chemical Lab. Co., Ltd. 제조), 2.900g의 Al2O3 (Kojundo Chemical Lab. Co., Ltd. 제조), 0.135g의 Sc2O3 (Kojundo Chemical Lab. Co., Ltd. 제조), 및 2.730g 의 B2O 3 (Kojundo Chemical Lab. Co., Ltd. 제조) 를 칭량하여, 충분히 균일하게 혼합하고 알루미나 도가니에 충진시킨 후, 50℃ 분위기에서 2시간동안 예비 소성하였다. 그 예비 소성된 혼합물을 1100℃ 분위기에서 5시간동안 가열 및 소성하고, 어닐링하여 소성된 생성물을 획득하였다. 그 소성된 생성물을 분쇄, 세정, 건조 및 체질하여, 형광재료 Y0.55Gd0.25Tb0.2Al2.9Sc0.1(BO 3)4 를 득하였다.
전술한 방법에 따라서, Y, Gd, Tb, Sc의 비율들을 변화시키면서 실시예 1 내지 8의 형광재료들를 획득하였다. 실시예 1 내지 8, 비교예 1로서 LaPO4:Tb, Ce [LAP], 비교예 2로서 Y0.55Gd0.25Tb0.2Al3(BO3) 4의 형광재료에 대하여, 그 휘도비, 피크 발광 강도비 및 CIE 색도 좌표 (x/y) 를 나타낸다. 실시예 1 내지 8과 비교예 2의 휘도비는 비교예 1에 대한 휘도비이며, 실시예 1 내지 8과 비교예 2의 피크 발광 강도비는 비교예 1에 대한 피크 발광 강도비이다.
휘도의 측정은, 형광재료를 질소 분위기의 배쓰 (bath) 내에서 파장 172nm인 크세논 램프를 사용하여 자외선 방사에 노출시키고 CIE (Commission internationle de i'Eclairage) 에 의해 규정된 측정방법에 따라 Hamamatsu Photonics사가 제조한 분광계를 이용하여 수행하였다.
Figure 112004052408355-pat00001
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 8의 형광재료들은 540nm 내지 550nm에서 발광한다. 도 2는, 알루미늄을 스칸듐으로 도핑하면, 피크 강도가 형광재료 비교예 2의 (Y0.55Gd0.25Tb0.2)Al3(BO3 )4에 비해 26%만큼 더 향상됨을 나타낸다. 또한, 도 2 및 표 1은 Sc을 도핑하면, 형광재료의 휘도가 약 24%만큼 더 향상됨을 나타낸다.
본 발명의 형광재료들은 진공 자외광여기 발광소자에 사용할 수도 있다. 그 진공 자외광여기 발광소자들은 광투과 밀봉용기; 상기 광투과 밀봉용기내에 봉입되어 진공 자외선을 발광하는 방전 매체; 방전 전극; 및 상기 광투과 밀봉용기 내측 상에 형성된 형광체층을 구비한다. 본 발명의 형광재료들은 형광층으로도 사용할 수도 있다. 오늘날, 형광램프들 및 플라즈마 디스플레이 패널들은 진공 자외광여기 발광 소자들로서 널리 공지되어 있다.
널리 공지된 형광램프의 세부 구조들이 일본 공개특허공보 제2001-172624호 등에 개시되어 있지만, 형광램프의 구조는 전술한 것들에만 제한되지 않는다.
플라즈마 디스플레이 패널의 세부 구조도 일본 공개특허공보 제2003-50561호에 개시되어 있지만, 플라즈마 디스플레이 패널들의 구조도 전술한 것들에 제한되지 않는다.
플라즈마 디스플레이 패널에서는, 각 픽셀이 R, G, 또는 B 광을 발광하기 때문에, 본 발명의 형광재료를 독립적으로 사용할 수 있다. 또한, 형광램프에서도, 녹색 램프용으로 사용할 경우, 본 발명의 형광재료들을 사용할 수 있다. 그러나, 백색 형광램프로서 사용할 경우에도, 본 발명의 녹색 형광재료들을 청색 형광재료들 (예를 들어, BAM 형광재료), 및 적색 형광재료 (예를 들어, Y2O3: Eu, (Y, Gd)BO3:Eu) 와 조합해서 사용하여, 형광재료들의 혼합물로된 형광체층을 형성한다.
이상, 본 발명에 따르면, 본 발명의 형광재료는, 종래 형광재료에 비하여 고효율인 녹색광 발광원을 제공할 수 있다. 또한, 종래의 형광재료들에 비해 녹색의 우수한 색 순도를 가진 플라즈마 디스플레이 패널 등의 디스플레이 유닛들을 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 화학식 (Y1-x-yGdxTby)Al3-zScz(BO3) 4 (여기서, 0≤x<0.5, 0<y<0.5, 0<z≤3) 로 표현되는 테르븀, 가돌리늄-도핑된 희토류 알루미늄 스칸듐 붕산염을 포함하는, 진공 자외광여기 녹색 형광재료.
  2. 광투과 밀봉용기;
    상기 광투과 밀봉용기내에 봉입되어 진공 자외선을 발광하는 방전 매체;
    방전 전극; 및
    상기 광투과 밀봉용기 내측 상에 형성된 형광체층을 구비하며,
    상기 형광체층은 화학식 (Y1-x-yGdxTby)Al3-zScz(BO 3)4 (여기서, 0≤x<0.5, 0<y<0.5, 0<z≤3) 로 표현되는 테르븀, 가돌리늄-도핑된 희토류 알루미늄 스칸듐 붕산염인 진공 자외광여기 녹색 형광재료를 함유하는, 자외형광 발광소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 발광 소자는 형광램프인, 자외형광 발광소자.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 발광 소자는 플라즈마 디스플레이 패널의 녹색 픽셀 소자인, 자외형광 발광소자.
  5. 광투과 밀봉용기;
    상기 광투과 밀봉용기내에 봉입되어 진공 자외선을 발광하는 방전 매체;
    방전 전극; 및
    상기 광투과 밀봉용기 내측 상에 형성된 형광체층을 구비하며,
    상기 형광체층은 화학식 (Y1-x-yGdxTby)Al3-zScz(BO 3)4 (여기서, 0≤x<0.5, 0<y<0.5, 0<z≤3) 로 표현되는 테르븀, 가돌리늄-도핑된 희토류 알루미늄 스칸듐 붕산염인 진공 자외광여기 녹색 형광재료, 진공 자외광여기 청색 형광재료, 및 진공 자외광여기 적색 형광재료를 함유하는, 백색광 발광소자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 소자는 백색광 형광램프인, 백색광 발광소자.
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