KR100837373B1 - 진공자외선을 여기원으로 하는 보레이트계 녹색 형광체 및이의 제조방법 - Google Patents

진공자외선을 여기원으로 하는 보레이트계 녹색 형광체 및이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공자외선을 여기원으로 하는 보레이트계 녹색 형광체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이트륨, 가돌리늄, 갈륨 및 붕소산화물을 함유하여 이루어진 모체와, 테르븀의 활성제를 일정성분비로 함유하여 이루어진 신규의 보레이트계 녹색형광체로 진공자외선 여기광원에 의한 발광효율 및 색순도가 우수하고 고휘도를 가져 발광소자 특히 플라즈마 디스플레이 패널에 적합한 보레이트계 녹색 형광체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
녹색형광체, 발광소자, 보레이트, 진공자외선, 플라즈마 디스플레이 패널

Description

진공자외선을 여기원으로 하는 보레이트계 녹색 형광체 및 이의 제조방법{Synthesis and luminescence properties of borate green phosphor under VUV excitation}
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1의 녹색형광체 및 비교예 1의 녹색형광체를 100 nm 내지 400 nm 사이의 파장 범위에서 진공자외선 조사 시 모체의 여기 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1의 녹색형광체 및 비교예 1의 녹색형광체를 147 nm의 진공자외선 조사 시 휘도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1의 녹색형광체 및 비교예 1의 녹색형광체를 173 nm의 진공자외선 조사 시 휘도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 2 ∼ 7의 이트륨과 가돌리늄의 몰비 변화에 따라 제조된 녹색형광체의 발광강도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 8 ∼ 18의 테르븀 활성제의 함량 변화의 따라 제조된 녹색형광체의 발광 강도를 나타낸 것이다.
본 발명은 진공자외선을 여기원으로 하는 보레이트계 녹색 형광체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이트륨, 가돌리늄, 갈륨 및 붕소산화물을 함유하여 이루어진 모체와, 테르븀의 활성제를 일정성분비로 함유하여 이루어진 신규의 보레이트계 녹색형광체로 진공자외선 여기광원에 의한 발광효율 및 색순도가 우수하고 고휘도를 가져 발광소자 특히 플라즈마 디스플레이 패널에 적합한 보레이트계 녹색 형광체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현재, 플라즈마 디스플레이 패널용 녹색 형광체로는 Zn2SiO4:Mn(P1)이 주로 사용되고 있다.
Zn2SiO4:Mn(P1)은 발광 휘도가 우수한 반면 플라즈마 디스플레이 패널에 사용되는 청색, 적색 형광체에 비해서 상대적으로 잔광 시간이 길고 진공 자외선에 대한 발광 휘도가 빨리 포화(saturation)되는 단점이 있다. 또한, 실리케이트 성분으로부터 유도되는 음의 표면전하 값은 양의 표면전하 값을 나타내는 상용의 청색이나 적색 형광체와 비교하여 플라즈마 디스플레이 패널 구동 시 방전 개시 전압이 높아지는 치명적인 단점이 있다.
Zn2SiO4:Mn(P1)의 형광층으로 이루어진 녹색 셀은 적색이나 청색 셀과 비교하여 높은 방전전압을 요구한다. 따라서, 플라즈마 디스플레이 패널의 요구조건을 모두 만족시키는 새로운 조성의 녹색 형광체를 개발하려는 많은 연구들이 이 루어지고 있다.
이러한 새로운 조성의 형광체 중에서 대표적인 것으로 Mn을 활성제로 채용한 마그네토플럼비트(magnetoplumbite, AB12O19)나 베타 알루미나 구조를 가지는 알칼리 토금속 알루미네이트(alkaline earth aluminate)계통으로, 바륨 알루미네이트[BaAl12O19 : Mn, 미국특허 제 4,085,351호, 제 6,423,238호 및 제 5,868,963호]나 바륨 또는 스트론튬 마그네슘 알루미네이트[(Ba,Sr)MgAl14O23 : Mn, 유럽특허 제 0 908 502호 A1]등이 있다. 그러나, 이러한 형광체들은 색순도 및 잔광특성은 Zn2SiO4:Mn 형광체에 비해서 우수하지만, 발광 휘도가 상대적으로 매우 낮으며 PDP 제조 공정 중의 열 처리에 의한 열화나 구동에 따른 진공 자외선 조사에 의한 열화가 심해서 디스플레이의 수명을 저하시키는 단점이 있다.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 연구 노력한 결과, 이트륨, 가돌리늄, 갈륨 및 붕소산화물로 모체를 구성하고, 테르븀을 활성제로 일정량 함유하여 녹색을 발광하는 새로운 조성의 형광체가 진공자외선 여기용으로 발광휘도가 높고 잔광시간이 짧으며 형광체 입자의 표면전하가 양의 값을 가져 방전전압을 낮출 수 있다는 것을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명은 새로운 조성을 갖는 진공자외선 여기용 보레이트계 녹색형광체와 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 다음 화학식 1로 표시되는 보레이트계 녹색형광체에 그 특징이 있다.
(Y x Gd1- x )1- y Ga3(BO3)4 : Tb y
상기 화학식 1에서, 0 ≤ x ≤ 1이고, 0 < y ≤ 1이다. 상기 y는 바람직하기로는 0.01 ≤ y ≤ 1, 보다 바람직하기로는 0.05 ≤ y ≤ 0.9로 사용하는 바, y가 1을 초과하면 농도 소광 현상에 따른 발광강도의 저하가 일어나며, 적어도 0.01 이상을 사용하여 활성제로서의 기능 발휘가 가능하도록 하는 것이 좋다.
또한, 본 발명은 이트륨 전구체, 가돌리늄 전구체, 갈륨 전구체, 붕소 전구체 및 테르븀 전구체를 상기 화학식 1로 표시되는 정량범위로 혼합하여 혼합물을 제조하는 1단계 ; 상기 혼합물을 100 ∼ 150 ℃ 범위에서 1 ∼ 24 시간 동안 건조시키는 2단계 ; 및 상기 건조된 혼합물을 800 ∼ 1100 ℃에서 3 ∼ 10 시간 동안 열처리하는 3 단계를 포함하여 이루어진 상기 화학식 1로 표시되는 보레이트계 녹색형광체의 제조방법에 또 다른 특징이 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 진공 자외선(VUV : vacuum ultraviolet) 여기에 의한 발광효율이 우수하며, 고휘도를 가져 발광소자 특히 플라즈마 디스플레이 패널에 적합한 보레 이트계 녹색 형광체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 보레이트계 녹색 형광체를 제조하는 방법을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 이트륨 전구체, 가돌리늄 전구체, 갈륨 전구체, 붕소 전구체 및 테르븀 전구체를 상기 화학식 1로 표시되는 정량범위로 혼합하여 혼합물을 제조한다. 이때, 보다 효과적인 혼합을 위하여 아세톤, 알콜 및 물 중에서 선택된 용매를 사용하고 볼 밀링(ball milling) 또는 마노 유발과 같은 혼합기를 이용하여 균일한 조성이 되도록 충분히 혼합한다. 상기 용매는 전구체 혼합물에 대하여 100 ∼ 500 중량% 범위로 사용하는 바, 상기 사용량이 100 중량% 미만이면 슬러리상의 전구체 혼합물 형성이 어렵고, 500 중량%를 초과하는 경우에는 과다한 용매의 사용으로 인하여 다음의 용매 제거 공정이 용이하게 수행되지 못하는 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 이트륨 전구체, 가돌리늄 전구체, 갈륨 전구체, 붕소 전구체 및 테르븀 전구체는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 구체적으로 각각의 질산염, 초산염, 염화물, 산화물 및 탄산염 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 혼합물을 100 ∼ 150 ℃, 바람직하기로는 120 ∼ 130 ℃에서 1 ∼ 24 시간 동안 건조시킨다. 상기 건조는 전구체의 슬러리 상을 형성하기 위해 사용된 용매를 제거하기 위하여 수행되는 바, 당 분야에서 통상적으로 사용되는 방법을 사용으로 수행되며, 본 발명에서는 건조오븐을 이용한다. 상기 건조 온도가 100 ℃ 미만이면 사용된 용매의 완전한 제거가 어려우며 150 ℃를 초과하는 경우에는 사용된 용매의 비점 이상의 온도 범위에서는 용매의 끓는 현상으로 샘플 손실의 우려가 있어 작업상 용이하지 못한 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 건조된 혼합물을 800 ∼ 1100 ℃, 바람직하기로는 900 ∼ 1100 ℃에서 10 시간 이하, 바람직하게는 3 내지 10 시간 동안 열처리한다. 상기 열처리는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 방법으로 특별히 한정하지는 않으나 본 발명에서는 고순도 알루미나 보트에 넣고 전기로를 사용하여 수행한다. 상기 소성온도가 800 ℃ 미만이면 유로피움 활성제의 환원이 완성되지 못하고 1100 ℃를 초과하는 경우에는 형광체 입자들 간에 응집이 일어나므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
다음으로 상기 열처리된 형광체를 분쇄 등의 후처리 공정을 수행하는 바, 상기 분쇄는 목적으로 하는 입자의 크기에 따라 다양한 크기로 분쇄한다. 상기 분쇄는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 방법으로 수행되며, 구체적으로 유발, 볼 밀 등을 사용할 수 있다.
이들 형광체 분말에 대하여 빛 발광특성(Photoluminescence, PL)을 측정한 결과, 147 ㎚ 여기 하에서 450 ∼ 700 ㎚ 영역 사이에서 강한 발광 스펙트럼을 나타내고, 발광 강도가 매우 우수한 상기 화학식 1로 표시되는 녹색 형광체가 수득된다.
이와 같이 본 발명에서 제조한 보레이트계 녹색 형광체는 진공자외선 영역 하에서 휘도가 우수한 녹색 발광을 하므로, 플라즈마 디스플레이 패널에 적용되었을 때 매우 높은 발광 효율을 가질 것이다.
이하, 본 발명은 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 다음의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : Y 0.08 Gd 0.02 Ga 3 (BO 3 ) 4 : Tb 0.90 형광체의 제조
이트륨 : 가돌리늄 : 갈륨 : 붕소: 테르븀 이온의 몰비가 0.08 : 0.02 : 3 : 4 : 0.9의 혼합비로 되도록 산화이트륨, 산화가돌리늄, 산화갈륨, 붕산 및 산화테르븀을 비율대로 평량하고, 이것을 마노 유발을 사용하여 아세톤 중에서 충분히 고르게 혼합하여 혼합시료를 제조하였다. 상기 제조된 혼합 시료를 오븐을 사용하여 120 ℃에서 1 시간 동안 건조하였다. 상기에서 얻어진 혼합물을 고 순도 알루미나 보트에 넣고 전기로를 사용하여 6 시간 동안 대기하에서 1000 ℃의 온도로 열처리한 후, 충분히 분쇄 처리하여 조성이 Y0.08Gd0.02Ga3(BO3)4 : Tb0.90 인 녹색형광체를 제조하였다.
실시예 2 ∼ 7 : (Y x Gd 1- x ) 0.5 Ga 3 (BO 3 ) 4 : Tb 0.5 형광체의 제조
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 테르븀을 0.5 몰로 고정시키고 이트륨과 가돌리늄의 몰비를 변화시켜 조성이 (Y x Gd1- x )0.5Ga3(BO3)4 : Tb0.5 인 녹색형광체를 제조하였다.
실시예 8 ∼ 18 : (Y 0.8 Gd 0.2 ) 1- y Ga 3 (BO 3 ) 4 : Tb y 형광체의 제조
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 이트륨과 가돌리늄의 몰비를 4:1로 고정시키고 테르븀의 함량을 0.01 몰 ∼ 1 몰까지 변화시켜 조성이 (Y0.8Gd0.2)1- y Ga3(BO3)4 : Tb y 인 녹색형광체를 제조하였다.
비교예 1
상용 Zn2SiO4 : Mn의 녹색형광체.
실험예 1
상기 실시예 1 ∼ 18 및 비교예 1에서 제조된 형광체를 100 ∼ 400 ㎚ 범위의 파장 영역에서 흡수스펙트럼을 관찰하였으며, 진공자외선을 여기 에너지원으로 하였을 때의 발광강도를 비교하였다.
구분 조성식 543 ㎚에서의 상대 발광강도 (147 ㎚ 여기)
실시예 1 Y0.08Gd0.02Ga3(BO3)4 : Tb0.9 225
실시예 2 Gd0.5Ga3(BO3)4 : Tb0.5 173
실시예 3 Y0.1Gd0.4Ga3(BO3)4 : Tb0.5 148
실시예 4 Y0.2Gd0.3Ga3(BO3)4 : Tb0.5 158
실시예 5 Y0.3Gd0.2Ga3(BO3)4 : Tb0.5 170
실시예 6 Y0.4Gd0.1Ga3(BO3)4 : Tb0.5 184
실시예 7 Y0.5Ga3(BO3)4:Tb0.5 183
실시예 8 Y0.792Gd0.198Ga3(BO3)4 : Tb0.01 100
실시예 9 Y0.76Gd0.19Ga3(BO3)4 : Tb0.05 112
실시예 10 Y0.72Gd0.18Ga3(BO3)4 : Tb0.1 139
실시예 11 Y0.64Gd0.16Ga3(BO3)4 : Tb0.2 159
실시예 12 Y0.56Gd0.14Ga3(BO3)4 : Tb0.3 174
실시예 13 Y0.48Gd0.12Ga3(BO3)4 : Tb0.4 181
실시예 14 Y0.4Gd0.1Ga3(BO3)4 : Tb0.5 184
실시예 15 Y0.32Gd0.08Ga3(BO3)4 : Tb0.6 212
실시예 16 Y0.24Gd0.06Ga3(BO3)4 : Tb0.7 207
실시예 17 Y0.16Gd0.04Ga3(BO3)4 : Tb0.8 208
실시예 18 Ga3(BO3)4 : Tb1.0 208
비교예 1 Zn2SiO4 : Mn 100
상기 표 1에서 상대발광강도는 147 nm 파장의 빛을 여기원으로 하였을 경우 비교예 1이 최대의 발광강도를 나타내는 527 nm 파장에서의 피크의 높이를 100으로 나타내었을 때, 실시예 1 ∼ 18이 최대의 발광강도를 나타내는 543 nm 파장에서의 상대 발광강도를 비교하기 위한 피크의 높이비로 나타낸 것이다. 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따라 실시예 1 ∼ 18에서 제조된 보레이트계 녹색 형광체는 종래 녹색형광체인 비교예 1과 비교하여 동등이상의 발광강도를 가진다는 것을 확인할 수 있었다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1의 녹색형광체 및 비교예 1의 녹색형광체를 100 nm 내지 400 nm 사이의 파장 범위에서 진공자외선 조사 시 모체의 여기 스펙트럼을 나타낸 것이고, 도 2는 147 nm의 진공자외선 조사 시 휘도를 나타낸 것이며, 도 3은 173 nm의 진공자외선 조사 시 휘도 등을 나타낸 것으로, 본 발명의 실시예 1이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 2 ∼ 7의 이트륨과 가돌리늄의 몰비 변화에 따라 제조된 녹색형광체의 발광강도를 나타낸 것이다. 이는 테르븀의 함량을 0.5 몰로 고정시킨 후 이트륨과 가돌리늄의 몰비 변화에 따른 발광세기를 나타낸 것으로 이트륨이 0.4 몰, 가돌리늄이 0.1 몰일 때 발광강도가 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 8 ∼ 18의 테르븀 활성제의 함량 변화의 따라 제조된 녹색형광체의 발광 강도를 나타낸 것이다. 이는 이트륨과 가돌리늄의 비율을 4 : 1의 비율로 고정시키고 테르븀 활성제의 함량에 따른 상기 형광물질의 상대적인 발광강도를 나타낸 것으로 테르븀 함량이 0.9 몰 보다 많은 경우 농도 ??칭(concentration quenching) 효과가 일어나 발광 휘도를 감소시킴을 확인할 수 있다. 따라서, 우수한 발광 휘도를 나타내는 테르븀의 농도는 0.9 몰임을 알 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 보레이트계 녹색형광체 는 진공 자외선 영역인 120 ∼ 180 nm 여기 하에서 발광 세기 및 색순도가 우수하고, 고휘도를 가지며 모체가 양의 표면전하 값을 나타내는 보레이트 성분으로 구성되므로 방전 개시 전압이 높지 않아 발광소자 특히 플라즈마 디스플레이 패널 및 진공자외선을 에너지원으로 하는 응용분야에 적용이 기대된다.

Claims (7)

  1. 다음 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 보레이트계 녹색형광체 :
    [화학식 1]
    (Y x Gd1- x )1- y Ga3(BO3)4 : Tb y
    상기 화학식 1에서, 0 ≤ x ≤ 1이고, 0 < y ≤ 1이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 녹색형광체는 120 ∼ 180 nm 범위의 진공 자외선 영역에서 여기 하는 것을 특징으로 하는 보레이트계 녹색형광체.
  3. 청구항 1 내지 청구항 2 중에서 선택된 어느 한 항의 보레이트계 녹색형광체를 소재로 사용하여 제조된 발광소자.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 발광소자는 플라즈마 디스플레이 패널인 것을 특징으로 하는 발광소자.
  5. 이트륨 전구체, 가돌리늄 전구체, 갈륨 전구체, 붕소 전구체 및 테르븀 전구체를 다음 화학식 1로 표시되는 정량범위로 혼합하여 혼합물을 제조하는 1단계 ;
    상기 혼합물을 100 ∼ 150 ℃ 범위에서 1 ∼ 24 시간 동안 건조시키는 2단계 ; 및
    상기 건조된 혼합물을 800 ∼ 1100 ℃에서 3 ∼ 10 시간 동안 열처리하는 3 단계
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 보레이트계 녹색형광체의 제조방법 :
    [화학식 1]
    (Y x Gd1- x )1- y Ga3(BO3)4 : Tb y
    상기 화학식 1에서, 0 ≤ x ≤ 1이고, 0 < y ≤ 1이다.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 3단계 후 분쇄하는 단계를 추가로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보레이트계 녹색형광체의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 0.01 ≤ y ≤ 1인 것을 특징으로 하는 보레이트계 녹색형 광체의 제조방법.
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