KR100725036B1 - Activated caso4 phosphor - Google Patents

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장현명
김선배
금병곤
허순영
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조근호
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Abstract

Provided is a calcium sulfonate-based phosphor, which allows emission of two photons upon incidence of one photon through second order down conversion (SODC) energy transfer, and thus realizes a green, white or red phosphor having excellent light (quantum) efficiency. The vacuum ultraviolet ray-excited CaSO4-based phophor is activated with rare earth metal elements and is represented by the formula of Ca1-a-bXaREbSO4, wherein a is greater than 0.0001 and equal to or less than 0.15, b is greater than 0.0001 and equal to or less than 0.15, X is Li, Na, K or P, and Re is Tb, Dy, Sm or Eu. A green phosphor is realized when Re is Tb. A white phosphor is realized when Re is Dy. A red phosphor is realized when Re is Sm or Eu.

Description

황산칼슘 계열 형광체{activated CaSO4 phosphor}Calcium Sulfate Phosphor

도 1은 각각 순수한 CaSO4(A), CaSO4: Tb3+(B), CaSO4: Dy3+(C), CaSO4: Sm3+(D)의 의 진공 자외선 147 nm 여기에 의한 1000배 확대한 모체방출 스펙트럼이고 FIG. 1 shows the vacuum ultraviolet rays of pure CaSO 4 (A), CaSO 4 : Tb 3 + (B), CaSO 4 : Dy 3 + (C) and CaSO 4 : Sm 3 + (D) 1000 by excitation of 147 nm It is a magnified matrix emission spectrum

도 2는 Sm, Eu, Tb, Dy의 에너지 준위를 나타낸 그림이고 2 is a diagram illustrating energy levels of Sm, Eu, Tb, and Dy.

도 3은 YBO3: Tb(A)와 본 발명의 Ca0 .92Na0 .04Tb0 .04SO4(B)의 147 nm 여기에 의한 방출 스펙트럼.3 is YBO 3: Tb (A) and 147 nm where the emission spectrum of the Ca 0 .92 Na 0 .04 Tb 0 .04 SO 4 (B) of the present invention.

도 4는 CaSO4: Tb를 147nm의 에너지로 여기시킬 때 SODC에 의한 에너지 전달과정을 설명하는 에너지 준위그림이고 4 is an energy level diagram illustrating the energy transfer process by SODC when CaSO 4 : Tb is excited with an energy of 147 nm.

도 5는 본 발명의 Ca0 .96Na0 .02Tb0 .02SO4 (A)와 Ca0 .96Na0 .02Dy0 .02SO4(B)의 두 형광체에 대해 진공 자외선 147 nm 여기에 따른 비교 방출 스펙트럼이다.Figure 5 is a vacuum ultraviolet ray for both the phosphor of Ca 0 .96 Na 0 .02 Tb 0 .02 SO 4 (A) of the present invention and the Ca 0 .96 Na 0 .02 Dy 0 .02 SO 4 (B) 147 nm Here is the comparative emission spectrum.

본 발명은 CaSO4 계열 형광체, 더 상세하게는 SODC(Second-order Down conversion ; 2광자 방출) 효과로 진공 자외선 여기에 의하여 고효율을 갖는 CaSO4 계열 형광체에 관한 것이다.The present invention relates to a CaSO 4 series phosphor, and more particularly to a CaSO 4 series phosphor having high efficiency by vacuum ultraviolet excitation due to a second-order down conversion (SODC) effect.

종래의 CaSO4는 열 발광(thermoluminescence)용 형광체로 사용되었다. 열 발광을 위해 제조된 CaSO4 형광체는 황산을 이용하고 많은 양의 황산 증기가 발생하는 번거로운 과정을 통해 제조되었고, 이렇게 제조된 CaSO4형광체는 좋은 광 발광(photoluminescence) 특성을 가지지 못했다.Conventional CaSO 4 has been used as a phosphor for thermoluminescence. CaSO 4 phosphor prepared for thermal luminescence was prepared through a cumbersome process using sulfuric acid and a large amount of sulfuric acid vapor, the CaSO 4 phosphor thus prepared did not have good photoluminescence properties.

현재 사용되는 진공 자외선용, PDP용 형광체는 수은 방전에서 발생하는 자외선을 이용한 자외선용 형광체의 일부를 진공 자외선에서 좋은 광 효율을 가질 수 있도록 변경하여 이용하기 때문에 더 높은 에너지인 진공 자외선의 조건에서는 아래에 기술한 바와 같이 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 현재 PDP용 형광체로 적색, 녹색, 청색의 3원색은 각각 (Y,Gd)BO3: Eu3+(BAM), Zn2SiO4: Mn2+, BaMgAl10O17:Eu2+를 주로 이용하고 있으나, 적색으로 사용되고 있는 (Y,Gd)BO3: Eu3 +는 자외선을 여기원으로 사용할 때 방출되지 않았던 593 nm 파장의 광자 방출로 인해 색 좌표가 그 목적에 미달되고( J. P. Boeuf. J. Phys. D: Appl. Phys. Vol. 36, R53, (2003) ), YBO3:Tb3 + 와 함께 녹색 형광체로 사용되고 있는 Zn2SiO4: Mn2+는 Mn의 f-f 전이를 이용해 녹색을 얻는데 특성상 전이 속도가 너무 느려서 빠른 화면 구현을 필요로 하는 스포츠 경기와 같이 신속히 다른 색으로 바뀌어야 하는 경우 잔상이 남으며 진공 자외선 환경에서 열화 되는 단점이 있고( R. P. Rao, J. Elecrochem. Soc. Vol. 150, No. 8, H165-H171, (2003) ), 한편 청색으로 사용되고 있는 BAM의 경우 전도 특성을 가지고 있는 모체의 특성 때문에 진공 자외선 환경에서 열화 특성을 보이며, 산화 분위기에서 3가로 산화되는 특성을 가진 Eu2 + 때문에 PDP 제조 공정중의 하나인 베이킹 과정에서 발광 효율이 감소한다 ( B. Dawson, M. Ferguson, G. Marking and A. L. Diaz. Chem. Mater. Vol. 16, p. 5311, (2004) ). Currently used vacuum ultraviolet ray and PDP phosphors use some of the ultraviolet ray phosphors generated by mercury discharge in order to have good light efficiency in vacuum ultraviolet ray. As described, there are various problems. Currently three primary colors of red, green, and blue phosphor for a PDP, respectively (Y, Gd) BO 3: mainly used to Eu 2+: Eu 3 + (BAM ), Zn 2 SiO 4: Mn 2 +, BaMgAl 10 O 17 and, but that is used in red (Y, Gd) BO 3: . Eu 3 + is due to ultraviolet radiation at a photon emission in the 593 nm wavelength that was not emitted when used as an excitation source are a color coordinate is less than the that purpose (JP Boeuf J .. Phys D:... Appl Phys Vol 36, R53, (2003)), YBO 3: Tb 3 + and used as a green phosphor Zn 2 SiO in with 4: Mn 2+ is the green using the ff transition of Mn If you need to change to another color quickly, such as sports events that require too fast transition speed due to the nature, the afterimage remains and deteriorates in a vacuum-ultraviolet environment (RP Rao, J. Elecrochem. Soc. Vol. 150 , No. 8, H165-H171, (2003)), on the other hand, in the case of BAM used in blue, A showed a deterioration characteristic in the vacuum ultraviolet environment, the efficiency of light emission in one of the baking process, in the PDP manufacturing process decreases because of Eu 2 + having the characteristics that are three horizontal oxidation in an oxidizing atmosphere (B. Dawson, M. Ferguson, G. Marking and AL Diaz. Chem. Mater. Vol. 16, p. 5311, (2004).

한편, SODC는 모체의 에너지 밴드 갭이 넓어서 Stokes shift를 일으킬 수 없으며, 모체의 방출 스펙트럼과 활성제의 여기 스펙트럼의 중첩이 매우 작거나 없어서 상기의 BAM과 같은 방법으로 모체에서 활성제로의 에너지 전달이 일어나기 어려울 때 발생한다. SODC 현상을 형광체에 이용하는 근본적인 이유는 하나의 광자 입사에 대하여 두 개의 광자 방출을 가능하게 함으로써 종래의 형광체보다 발광 효율을 높이고, 부수적으로 이것을 통해 효율 측면에서 수은 방전보다 불리한 불활성 가스 방전 또는 전체적인 에너지 효율이 낮은 PDP TV의 단점을 보완하는데 있다. 진공 자외선의 에너지는 가시 광선 영역의 에너지보다 2배 이상이 되므로 이론적으로 SODC (2광자 방출)가 가능하며, 이에 따라 현재까지 불화물 모체를 바탕으로 양 자 효율이 100%이상인 형광체의 개발이 이루어졌다 ( W. W. Piper, J. A. DeLuca, F. S. Ham, J. Lumin. Vol. 8, p. 344 (1974) ). 그러나 불화물 모체는 147 nm의 제논 방전에 대해서는 발광 효율이 아주 낮을 뿐 만 아니라 공기 중에서 산소에 의해 쉽게 오염되어 그 특성이 감소하므로 실용적으로 사용되기는 어려웠다.On the other hand, SODC can not cause Stokes shift because the energy band gap of the mother is wide, and there is little or no overlap of the emission spectrum of the parent and the excitation spectrum of the activator so that energy transfer from the mother to the activator occurs in the same way as the BAM described above. Occurs when it is difficult. The fundamental reason for using the SODC phenomenon in phosphors is to enable two-photon emission for one photon incident, thereby increasing the luminous efficiency over conventional phosphors and, consequently, inert gas discharge or overall energy efficiency which is disadvantageous than mercury discharge in terms of efficiency. This is to compensate for the shortcomings of this low PDP TV. Since the energy of vacuum ultraviolet rays is more than twice the energy of the visible region, SODC (two-photon emission) is theoretically possible. Therefore, phosphors having quantum efficiency of 100% or more based on the fluoride matrix have been developed so far. (WW Piper, JA DeLuca, FS Ham, J. Lumin. Vol. 8, p. 344 (1974)). However, the fluoride matrix was difficult to be used practically because of its low luminous efficiency for 147 nm xenon discharge and its contamination by oxygen in the air, thereby reducing its properties.

본 발명자들은 CaSO4를 모체로 하고 여기에 활성제로 Tb, Sm, Eu, Dy를 전하보상체와 함께 도핑하였을 때 (i) 감도, 열적 안정성, 방사 안정성 등이 우수함과 아울러, (ii) 기존의 진공 자외선용 형광체에서의 에너지 전달 기구와는 달리 하나의 광자 입사에 대해 두 개의 광자 방출이 가능한 SODC (Second-order Down conversion)이라는 에너지 전달 기구에 의하여 100% 이상의 양자 효율의 구현이 가능하다는 것을 발견하고 이에 착안하여 본 발명을 완성하게 되었다.When the present inventors doped CaSO 4 as a parent and doped Tb, Sm, Eu, and Dy together with the charge compensator as the activator, the present inventors had excellent sensitivity, thermal stability, radiation stability, and the like. Unlike energy transfer mechanisms in vacuum ultraviolet phosphors, quantum efficiencies of over 100% can be realized by an energy transfer mechanism called second-order down conversion (SODC), which allows two photons to be emitted for one photon incident. With this in mind, the present invention has been completed.

본 발명은 제조방법이 단순하고 양자 효율이 높은 진공 자외선 여기형 CaSO4 계열 형광체를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a vacuum ultraviolet-excited CaSO 4 series phosphor having a simple manufacturing method and high quantum efficiency.

또한, 본 발명은 새로운 에너지 전달기구인 SODC (Second-order down-conversion)를 이용한 실용적인 진공 자외선 여기형 CaSO4 계열 형광체를 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention is to provide a practical vacuum ultraviolet-excited CaSO 4 series phosphor using a new energy transfer mechanism, Second-order down-conversion (SODC).

본 발명에 의하여, 하기식으로 표시되는 희토류에 의하여 활성화된 CaSO4 계열 형광체가 제공된다.According to the present invention, there is provided a CaSO 4 series phosphor activated by a rare earth represented by the following formula.

Ca1 -a- bXaREbSO4 Ca 1 -a- b X a RE b SO 4

상기 식에서 0.0001<a≤0.15이고 0.0001<b≤0.15이고 X는 Li, Na, K 또는 P이고 Re는 Tb, Dy, Sm 또는 Eu임Wherein 0.0001 <a ≦ 0.15, 0.0001 <b ≦ 0.15, X is Li, Na, K or P and Re is Tb, Dy, Sm or Eu

b의 범위가 0.0001<b≤0.15인 이유는 15%이상의 희토류 도핑은 특성 향상을 기대할 수 없고 0.01% 이하는 특성 향상이 미미하기 때문이다. 상기 식에서 바람직하게는 0.001<a≤0.10이고 0.001<b≤0.10이며 Re는 바람직하게는 Tb 또는 Dy이고 X는 바람직하게는 Na이다. 전하 보상체 X는 원자가가 2인 Ca자리에 원자가 다른 Re를 도핑할 때(예를 들면, Tb 원자가는 3) 발생하는 전하의 불균형을 보상하기 위한 것이다.The reason for the range of b is 0.0001 <b≤0.15 is because rare earth doping of 15% or more cannot be expected to improve the characteristics, and the characteristic improvement of 0.01% or less is insignificant. In the above formula, preferably 0.001 <a ≦ 0.10, 0.001 <b ≦ 0.10, Re is preferably Tb or Dy and X is preferably Na. The charge compensator X is intended to compensate for the charge imbalance that occurs when Do is doped with Re having a different valence of Ca having a valence of 2 (for example, Tb has a valence of 3).

상기 CaSO4 계열 형광체는 도핑되는 희토류 원소의 종류에 따라 Tb-녹색, Dy-백색, Sm-적색, Eu-적색을 띠게 된다. 본 발명의 바람직한 실시양태로서, 하기식으로 표시되는 Tb에 의하여 활성화된 CaSO4 계열 녹색 형광체가 제공된다.The CaSO4-based phosphors have Tb-green, Dy-white, Sm-red, and Eu-red depending on the type of rare earth element to be doped. As a preferred embodiment of the present invention, CaSO 4 activated by Tb represented by the following formula A series green phosphor is provided.

Ca1 -a- bXaTbbSO4 Ca 1 -a- b X a Tb b SO 4

상기 식에서 0.0001<a≤0.15이고 바람직하게는 0.01<a≤0.10이며 0.0001<b≤0.15이고 바람직하게는 0.001<b≤0.10이며 X는 Li, Na, K 또는 P이고 바람직하게는 X는 Na이다.Wherein 0.0001 <a ≦ 0.15, preferably 0.01 <a ≦ 0.10, 0.0001 <b ≦ 0.15, preferably 0.001 <b ≦ 0.10, and X is Li, Na, K or P and preferably X is Na.

본 발명의 희토류에 의하여 활성화된 CaSO4 계열 형광체는 하기식으로도 표현될 수 있다.The CaSO 4 series phosphor activated by the rare earth of the present invention can also be represented by the following formula.

CaSO4: Re, XCaSO 4 : Re, X

상기 식에서 X는 Li, Na, K 또는 P이고 Ca 의 0.15 몰 이하이고 Re는 Tb, Dy, Sm 또는 Eu임Wherein X is Li, Na, K or P and 0.15 mol or less of Ca and Re is Tb, Dy, Sm or Eu

본 발명의 희토류에 의하여 활성화된 CaSO4 계열 형광체는 바람직하게는 상기 식에서 Re는 Tb인 CaSO4 계열 녹색 형광체이다. X는 바람직하게는 Na이다. The CaSO 4 series phosphor activated by the rare earth of the present invention is preferably a CaSO 4 series green phosphor wherein Re is Tb. X is preferably Na.

일반적으로 진공 자외선용 형광체에서의 에너지 전달 기구는 모체의 방출 스펙트럼과 모체에 도핑된 활성제의 방출 스펙트럼을 이용하여 설명된다. 예를 들어 아무것도 도핑되지 않은 BAM의 모체에 여기 에너지를 입사시키면 모체의 방출 스펙트럼이 나타난다. 그런데 모체 활성제인 Eu2 +를 도핑하면 모체에서 활성제 이온으로 에너지 전달이 일어나서 모체의 방출스펙트럼이 감소하고 이에 따라 활성제인 Eu2 +의 방출 스펙트럼이 나타난다. In general, the energy transfer mechanism in the vacuum ultraviolet phosphor is described using the emission spectrum of the mother and the emission spectrum of the active agent doped in the mother. For example, injecting excitation energy into a matrix of BAM that is doped with nothing results in the emission spectrum of the matrix. However, when doped with Eu 2 + of the parent active agent to get up the energy transferred to the activator ion in the matrix reduces the emission spectrum of the matrix and thus when the emission spectrum of Eu 2 + of active agent.

그러나 본 발명에서 제조한 CaSO4: RE (여기서 RE는 희토류 원소를 나타내며, Tb, Sm, Eu, Dy 등이 포함됨) 형광체는 새로운 에너지 전달기구인 SODC (Second-order down-conversion)로서 설명될 수 있다. 본 발명은 CaSO4에 Tb, Sm, Eu, Dy와 같은 희토류를 도핑함으로써 모체의 방출 스펙트럼과 활성제의 여기 스펙트럼의 중첩이나 스토크스 전이(Stokes shift)와 같은 기존의 에너지 전달 기구로 설명되지 않고 SODC (Second-order Down conversion)로 설명되는 최초의 실용적인 형광체를 제공한다. However, the CaSO 4 : RE (where RE represents a rare earth element and contains Tb, Sm, Eu, Dy, etc.) phosphor prepared in the present invention can be described as a new energy transfer mechanism, SODC (Second-order down-conversion). have. The present invention is not described by conventional energy transfer mechanisms such as superposition of the emission spectrum of the parent and the excitation spectrum of the active agent or Stokes shift by doping CaSO 4 with rare earths such as Tb, Sm, Eu and Dy. It provides the first practical phosphor described by Second-order Down Conversion.

본 발명을 도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에서 제조한 아무것도 도핑되지 않은 CaSO4의 진공 자외선 147 nm 여기에 의한 모체방출 스펙트럼을 1000배 확대한 것(A)과 모체 방출 스펙트럼 영역에서 CaSO4: Tb3 +(B), CaSO4: Dy3 +(C), CaSO4: Sm3 +(D)의 545 nm 방출에 대한 여기 스펙트럼을 중첩하여 나타낸 것이다. Figure 1 is a 1000-fold magnification of the maternal emission spectrum by vacuum ultraviolet 147 nm excitation of nothing doped CaSO 4 prepared in the present invention (A) and CaSO 4 : Tb 3 + (B) in the maternal emission spectrum region, CaSO 4: illustrates the overlap the excitation spectrum of the 545 nm emission of Sm 3 + (D): Dy 3 + (C), CaSO 4.

도 2는 Sm, Eu, Tb, Dy의 에너지 준위를 나타낸 그림이다 ( W. T. Carnall, G. L. Goodman, K. Rajnak, and R. S. Rana, J. Chem. Phys., Vol. 90, p. 3443 (1989) ). LaF3 모체 내에서의 에너지 준위이지만 5S25P6 전자 껍질의 차폐 효과로 다른 모체 내에서도 에너지 준위가 변하지 않는다. 34.01 x 103 cm- 1 의 선은 시료 를 여기 시키기 위해 사용되는 진공 자외선 147 nm (68.02 x 103 cm-1) 의 반에 해당하는 에너지를 나타낸다.2 is a diagram showing energy levels of Sm, Eu, Tb, and Dy (WT Carnall, GL Goodman, K. Rajnak, and RS Rana, J. Chem. Phys., Vol. 90, p. 3443 (1989)) . The energy level in the LaF 3 matrix, but due to the shielding effect of the 5S 2 5P 6 electron shell, does not change in the other matrix. 34.01 x 10 3 cm - 1 of the line represents the energy that corresponds to the half of the vacuum UV 147 nm (68.02 x 10 3 cm -1) is used to excite the sample.

도 3은 YBO3: Tb(A)와 하기 실시예1에서 제조된 Ca0 .92Na0 .04Tb0 .04SO4(B)의 147 nm 여기에 의한 방출 스펙트럼을 비교한 것이다. YBO3: Tb와 Ca0 .92Na0 .04Tb0 .04SO4의 방출 스펙트럼 면적 비는 1:1.35 이다.3 is YBO 3: shows a comparison of the emission spectrum by 147 nm excitation of the Tb (A) of carrying out prepared in Example 1 and Ca 0 .92 Na 0 .04 Tb 0 .04 SO 4 (B). YBO 3: Tb emission spectrum area ratio of the Ca 0 .92 Na 0 .04 Tb 0 .04 SO 4 is 1: 1.35.

도 4는 CaSO4: Tb를 147nm의 에너지로 여기시킬 때 SODC에 의한 에너지 전달과정을 나타낸 것이다. 제논 (Xenon) 방전에 의해 발생한 147 nm의 진공 자외선이 모체인 CaSO4에 입사되면 SO4 2 - 음이온이 여기되어 전하 이동(Charge Transfer; CT) 상태가 형성되고, 이 에너지는 한번의 비복사 전이로 에너지를 전달할 곳이 없으므로 에너지가 5H55D3준위 사이의 두 개의 광자 에너지로 분리되어동시에 두 개의 광자가 방출되게 된다.Figure 4 shows the energy transfer process by SODC when CaSO 4 : Tb is excited with an energy of 147nm. When 147 nm vacuum ultraviolet rays generated by Xenon discharge enter the mother CaSO 4 , the SO 4 2 - anion is excited to form a charge transfer (CT) state, and this energy is a single non-radiative transition. Since there is no place to transfer energy, the energy is split into two photon energies between the 5 H 5 and 5 D 3 levels, which simultaneously emit two photons.

도5는 실시예2와 실시예3에서 제조된 Ca0 .96Na0 .02Dy0 .02SO4CaSO4와 Ca0.96Na0.02Dy0.02SO4CaSO4의 두 형광체에 대해 진공 자외선 147 nm 여기에 따른 방출 스펙트럼을 서로 비교한 것이다.5 is the second embodiment and the embodiments prepared in Ca 0 .96 3 Na 0 .02 Dy 0 .02 SO 4 CaSO 4 , and Ca 0.96 Na 0.02 Dy 0.02 SO 4 vacuum ultraviolet rays of the two phosphors of CaSO 4 147 nm here The emission spectra are compared with each other.

본 발명에 따르면 아무것도 도핑되지 않은 CaSO4는 도 1에서 보는 바와 같이 147 nm의 진공 자외선으로 여기될 경우 방출 스펙트럼의 강도가 매우 약하고, 활성제인 희토류의 여기 스펙트럼과의 중첩도 매우 적을 뿐만 아니라, 중첩된 여기 스펙트럼은 선택 규칙 9selection rule)에 의해 금지되는 f-f 전이이므로 스펙트럼의 중첩을 통한 에너지 전달 효율은 매우 좋지 못하다. 또 CaSO4가 진공 자외선을 받아들임으로써 발생하는 SO4 2 - 여기자(exciton)는 활성제에 매우 효율적으로 에너지를 전달한다. 전도대에 생성된 이동도가 높은 자유 여기자와 달리 전도대에 미치지 못하는 에너지의 입사로 인해 생긴 CaSO4 내에서의 SO4 2 - 여기자는 STE (Self-trapped excitons)의 형태를 가지므로 이들의 이동도가 크게 제한된다 ( E. Nakazawa, Chem. Phys. Lett., Vol. 56, p. 161 (1978) ). 그리고 CaSO4는 밴드 갭이 약 10 ev로서 매우 크므로 스토크스 전이(Stokes shift)를 일으켜 모체에서 활성제로 에너지를 전달할 수 없다. 상기와 같은 기구로 모체에서 활성제로 에너지가 전달되는 확률이 적거나 없고 입사 에너지의 반에 해당하는 에너지 레벨이 활성제의 에너지 레벨에 존재할 경우 SODC 기구에 의해 활성제로 에너지를 전달할 수 있다 [ D. L. Dexter, Phys. Rev. Vol. 108, p. 630 (1957) 및 I. L. Sommerdijk et al., J. of Lumin. Vol. 8, p. 341 (1974) ]. 그런데 CaSO4: RE (RE= Tb, Sm, Eu, Dy)는 이러한 조건을 잘 만족시킨다. 여기에서 입사에너지(147 nm)의 반에 해당하는 에너지 준위를 가진 것은 Tb이다. According to the present invention, CaSO 4 undoped with nothing is very weak in intensity of emission spectrum when excited with vacuum ultraviolet rays of 147 nm, as shown in FIG. 1, and has very little overlap with the excitation spectrum of the rare earth as an active agent. Since the excited spectra are ff transitions that are prohibited by the selection rule, the efficiency of energy transfer through the superposition of the spectra is very poor. SO 4 2 In addition to the CaSO 4 generated by accepting a vacuum ultraviolet ray-exciton (exciton) are very efficiently transfer energy to the active agent. Unlike high-mobility free excitons generated in the conduction band, SO 4 2 - excitons in CaSO 4 due to the incidence of energy that does not reach the conduction band have a form of self-trapped excitons (STE). Greatly limited (E. Nakazawa, Chem. Phys. Lett., Vol. 56, p. 161 (1978)). Since CaSO 4 has a very large band gap of about 10 ev, it causes Stokes shift and cannot transfer energy from the mother to the activator. With such a mechanism, if there is little or no probability of energy transfer from the mother to the activator and an energy level equal to half of the incident energy is at the energy level of the activator, the SODC mechanism can transfer energy to the activator [DL Dexter, Phys. Rev. Vol. 108, p. 630 (1957) and IL Sommerdijk et al., J. of Lumin. Vol. 8, p. 341 (1974)]. However, CaSO4: RE (RE = Tb, Sm, Eu, Dy) satisfies this condition well. Here, the energy level corresponding to half of the incident energy (147 nm) is Tb.

특히, Tb는 SODC의 조건을 잘 만족하고 실시예 1에서 보듯이 양자 효율이 100% 이상이므로 SODC가 일어난다. 반면 Sm, Eu, Dy 등 다른 활성제의 경우 입사 에너지의 반에 해당하는 에너지 준위가 존재하지 않는다. 이 경우 CaSO4 모체에 입사된 에너지는 에너지를 전달할 수 있는 적절한 활성제의 에너지 준위가 존재하지 않으므로 빠르게 완화 과정을 거치게 되며, 완화 도중 SODC를 만족하는 에너지를 가지게 되어 SODC를 일으킬 수 있다. 그러나 모든 에너지가 완화되어 활성제에 에너지를 전달하는 것이 아니고 완화 과정 중 모체의 결함으로 에너지를 전달할 확률도 존재하므로 Tb 이외의 활성제를 도핑 하는 경우에는 (i) 입사 에너지의 반에 해당하는 에너지 준위의 부재와 (ii) 교차 완화 (cross relaxation) 현상으로 인해 제논 방전에서 발생하는 147 nm의 에너지로 여기 시킬 경우 100% 미만의 양자 효율을 가지게 된다.In particular, SOb occurs because Tb satisfies the condition of SODC well, and as shown in Example 1, the quantum efficiency is 100% or more. On the other hand, for other active agents such as Sm, Eu, and Dy, there is no energy level corresponding to half of the incident energy. In this case, the energy injected into the CaSO 4 matrix undergoes a mitigation process quickly because there is no energy level of an appropriate activator that can transfer energy, and the SODC can be generated by satisfying the SODC during the relaxation. However, since all energy is relaxed and does not transfer energy to the activator, there is also the possibility of transferring energy to the defect of the mother during the relaxation process. Therefore, when doping an activator other than Tb, (i) the energy level corresponding to half of the incident energy Absence and (ii) cross relaxation will result in quantum efficiency of less than 100% when excited with 147 nm of energy from xenon discharges.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한 하는 것으로 해석되어서는 아니된다. 분위기를 위해 사용하는 (NH4)2SO4는 활성제가 모체에 도핑될 때 필요한 SO4의 공급 및 열 처리시 SO2와 NH3등으로 분해되어 3가와 4가가 공존하는 Tb4O7을 3가로 환원시켜주기 위한 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. These examples are intended to illustrate the invention and should not be construed as limiting the protection scope of the invention. (NH 4 ) 2 SO 4 used for the atmosphere is decomposed into SO 2 and NH 3 in the supply and heat treatment of SO 4 required when the activator is doped into the mother, and thus Tb 4 O 7, in which trivalent and tetravalent coexists, 3 To reduce the horizontal.

[실시 예 1]Example 1

Ca0 .92Na0 .04Tb0 .04SO4의 제조Preparation of Ca 0 .92 Na 0 .04 Tb 0 .04 SO 4

모체로서 CaSO4 .2H2O 0.02 mol, 활성제로 Tb4O7 0.0002 mol, 전하 보상체로 3배 과량의 NaCl 0.0024 mol, 분위기를 위해 (NH4)2SO4 0.004 mol를 사용하였다. 상기 물질을 균일하게 혼합하여 750 ℃에서 2시간 열처리 한 후, 열처리 동안 서로 뭉쳐진 입자를 분해하기 위해 증류수에 열처리된 분말을 넣고 30분 동안 초음파 진동을 실시하고 수분제거를 위해 거름 종이에 거른 후 건조한다CaSO 4 as parent . 0.02 mol of 2H 2 O, 0.0002 mol of Tb 4 O 7 as the activator, 0.0024 mol of NaCl 3 times as charge compensator, and 0.004 mol of (NH 4 ) 2 SO 4 for the atmosphere. After uniformly mixing the material and heat-treated at 750 ℃ for 2 hours, the heat-treated powder in distilled water to decompose the aggregated particles during the heat treatment, ultrasonic vibration for 30 minutes, filtered on a filter paper to remove moisture and dried do

상기에서 제조된 Ca0 .92Na0 .04Tb0 .04SO4 형광체와 양자 효율이 85%로 알려진 YBO3: Tb 형광체에 대해 진공 자외선 147 nm 여기에 의한 방출 스펙트럼을 도3에 나타내었다. 양자 효율은 각각의 에너지 준위에서 전이하는 확률로 계산되고, 이 전이 확률은 방출 스펙트럼의 면적으로 나타나므로 같은 Tb가 도핑된 물질과 방출 스펙트럼의 넓이 비교 만으로 양자 효율의 계산이 가능하다. 이러한 방식으로 계산된 YBO3: Tb와 Ca0 .92Na0 .04Tb0 .04SO4의 방출 스펙트럼 면적 비는 1:1.35이므로 CaSO4: Tb(4%), Na(12%)의 양자 효율은 115%로서 SODC를 통해 양자 효율이 100% 이상이 됨을 알 수 있다. YBO the Ca 0 .92 Na 0 .04 Tb 0 .04 SO 4 and the phosphor quantum efficiency of 85% was prepared in a known 3: shows the emission spectra by the vacuum ultraviolet ray 147 nm here for Tb phosphor in FIG. Quantum efficiency is calculated as the probability of transition at each energy level, and the transition probability is represented by the area of the emission spectrum, and thus the quantum efficiency can be calculated only by comparing the area of the emission spectrum with the same Tb-doped material. The YBO3 calculated in this way: the emission spectra of Tb and Ca 0 .92 Na 0 .04 Tb 0 .04 SO 4 area ratio is 1: 1.35 because CaSO 4: Tb (4%) , the quantum efficiency of Na (12%) Is 115%, and the SODC shows that the quantum efficiency is 100% or more.

Ca0 .92Na0 .04Tb0 .04SO4 형광체에서의 에너지 전달 과정을 표시하면 도 4와 같다. 제논 방전에서 발생하는 147 nm의 에너지를 모체인 CaSO4가 흡수하여 SO4 2 -의 전하 이동 상태가 발생하고, 이 에너지는 한 번의 비복사 전이로 에너지를 전달할 곳이 없으므로 에너지가 5H55D3 준위 사이의 두 개의 광자 에너지로 분리되어 동시에 두 개의 Tb 이온들을 여기 시키고 그 결과로 하나의 광자 입사에 대해 두 개의 광자가 방출되게 된다.Marking the energy transfer process in the Ca 0 .92 Na 0 .04 Tb 0 .04 SO 4 phosphor shown in FIG. A matrix of 147 nm energy generated in the xenon discharge CaSO 4 is absorbed and SO 4 2 - a charge transfer state of generation, and the energy is not a place to pass energy in a single non-radiative transition with energy of 5 H 5 It splits into two photon energies between the 5 D 3 levels and simultaneously excites two Tb ions, resulting in two photons being emitted for one photon incident.

[실시 예 2] Example 2

Ca0 .96Na0 .02Tb0 .02SO4의 제조Preparation of Ca 0 .96 Na 0 .02 Tb 0 .02 SO 4

Tb4O7 0.0001 mol, 전하 보상체로 NaCl 0.0012 mol을 사용하는 것을 제외하고 실시예1의 방법으로 제조하였다. 양자 효율은 각각의 에너지 레벨에서 전이하는 확률로 계산되고 이 전이 확률은 방출 스펙트럼의 면적으로 나타나므로 같은 Tb가 도핑된 물질과 방출 스펙트럼의 넓이 비교 만으로 양자 효율 계산이 가능하다. 이러한 방식으로 계산된 YBO3: Tb와 상기 제조된 본 발명의 Tb 활성화된 CaSO4의 방출 스펙트럼 면적 비는 1:1.2이므로 상기 제조된 Tb 활성화된 CaSO4 의 양자 효율은 108%로서 양자 효율이 100% 이상이고 이것은 SODC를 통해 방출됨을 알 수 있다. It was prepared by the method of Example 1 except that 0.0001 mol of Tb 4 O 7 and 0.0012 mol of NaCl were used as charge compensators. Quantum efficiency is calculated as the probability of transition at each energy level, and this transition probability is represented by the area of the emission spectrum, allowing quantum efficiency calculations only by comparing the area of the emission spectrum with the same Tb-doped material. Since the emission spectral area ratio of YBO 3 : Tb and Tb-activated CaSO 4 of the present invention calculated as described above is 1: 1.2, the quantum efficiency of the prepared Tb-activated CaSO 4 is 108% and the quantum efficiency is 100. It is found to be above% and it is released through the SODC.

[실시 예 3]Example 3

Ca0 .96Na0 .02Dy0 .02SO4의 제조Preparation of Ca 0 .96 Na 0 .02 Dy 0 .02 SO 4

상기의 실시 예 1과 동일하게 실시하되 활성제를 Dy로 바꾸어 제조하였다. 도 5는 실시예2의 Tb 활성화된 CaSO4 형광체와 실시예3의 Dy 활성화된 CaSO4 형광체의 147 nm 여기에 의한 방출 스펙트럼을 비교한 것이다. 도 2에서 보는 바와 같이 Dy는 Tb 보다 많은 에너지 준위들을 가지고 있다. 그러나 Dy는 4F9/2 + 6H15 /26F3/2 + 6H5 /2 에 의한 교차 완화 현상으로 인해 4F9/2 레벨이 켄칭 (quenching) 되므로 발광 효율이 낮아 지는 것으로 추정된다.It was prepared in the same manner as in Example 1 except for changing the active agent to Dy. FIG. 5 compares the emission spectra of the Tb activated CaSO 4 phosphor of Example 2 with the 147 nm excitation of the Dy activated CaSO 4 phosphor of Example 3. FIG. As shown in FIG. 2, Dy has more energy levels than Tb. However, Dy is 4 F 9/2 + 6 H 15/ 2 → 6 F 3/2 + 6 due to the cross relaxation caused by H 5/2 4 F 9/2 level, a quenched (quenching), so the emission efficiency is lowered It is estimated.

본 발명에 의해 제조된 희토류가 도핑된 CaSO4는 높은 광 발광 효율, 열 안정성, 방사 안정성을 가지므로 진공 자외선을 이용하는 방전 램프, PDP TV와 같은 분야에서 형광체로서 유용하게 사용될 수 있다.The rare earth-doped CaSO 4 prepared by the present invention has high photoluminescence efficiency, thermal stability, and radiation stability, and thus may be usefully used as a phosphor in fields such as discharge lamps and PDP TVs using vacuum ultraviolet rays.

Claims (11)

하기식으로 표시되는 희토류에 의하여 활성화된 진공자외선 여기형 CaSO4 계열 형광체.A rare earth activated vacuum ultraviolet excitation type CaSO 4 series phosphor represented by the following formula. Ca1-a-bXaREbSO4 Ca 1-ab X a RE b SO 4 상기 식에서 0.0001<a≤0.15이고 0.0001<b≤0.15이고 X는 Li, Na, K 또는 P이고 Re는 Tb, Dy, Sm 또는 Eu임Wherein 0.0001 <a ≦ 0.15, 0.0001 <b ≦ 0.15, X is Li, Na, K or P and Re is Tb, Dy, Sm or Eu 제1항에 있어서, 상기 식에서 0.001<a≤0.10이고 0.001<b≤0.10인 CaSO4 계열 형광체.The CaSO 4 series phosphor according to claim 1, wherein 0.001 <a ≦ 0.10 and 0.001 <b ≦ 0.10. 제2항에 있어서, 상기 식에서 Re는 Tb인 CaSO4 계열 녹색 형광체.The CaSO 4 series green phosphor according to claim 2, wherein Re is Tb. 제3항에 있어서, 상기 식에서 X는 Na인 CaSO4 계열 녹색 형광체. The CaSO 4 series green phosphor according to claim 3, wherein X is Na. 제2항에 있어서, 상기 식에서 Re는 Dy인 CaSO4 계열 백색 형광체. The CaSO 4 series white phosphor according to claim 2, wherein Re is Dy. 제5항에 있어서, 상기 식에서 X는 Na인 CaSO4 계열 백색 형광체. 6. The CaSO 4 series white phosphor according to claim 5, wherein X is Na. 제2항에 있어서, 상기 식에서 Re는 Sm 또는 Eu인 CaSO4 계열 적색 형광체.3. The CaSO 4 according to claim 2, wherein Re is Sm or Eu. Series red phosphor. 제7항에 있어서, 상기 식에서 X는 Na인 CaSO4 계열 적색 형광체8. The CaSO 4 series red phosphor according to claim 7, wherein X is Na. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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