KR101997296B1 - 자외광 생성용 타겟, 전자선 여기 자외광원 및 자외광 생성용 타겟의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
자외광 생성용 타겟(20)은 사파이어, 석영 또는 수정으로 이루어진 기판(21)과, 기판(21)상에 마련되고 전자선을 수신하여 자외광을 생성하는 발광층(22)을 구비한다. 발광층(22)은 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정을 포함한다. 이와 같은 발광층(22)을 타겟으로 이용함으로써, Pr：LuAG 단결정막을 이용했을 경우보다도 현저하게 자외광 발생 효율을 높일 수 있다.
Description
본 발명은 자외광(紫外光) 생성용 타겟, 전자선 여기(勵起) 자외광원, 및 자외광 생성용 타겟의 제조 방법에 관한 것이다.
특허 문헌 1에는, PET 장치에 이용되는 신틸레이터(scintillator)의 재료로서, 프라세오디뮴(Pr)을 포함하는 단결정(單結晶)을 사용하는 것이 기재되어 있다. 또, 특허 문헌 2에는 발광 다이오드로부터 출사되는 광의 파장을 형광체에 의해서 변환함으로써 백색광을 실현하는 조명 시스템에 관한 기술이 기재되어 있다.
종래부터, 자외광원으로서, 수은 크세논 램프(xenon lamp)나 중수소 램프 등의 전자관이 이용되어 왔다. 그러나 이러한 자외광원은, 발광 효율이 낮고, 대형이며, 또 안정성이나 수명의 관점에서 과제가 있다. 한편, 다른 자외광원으로서, 타겟에 전자선(電子線)을 조사함으로써 자외광을 여기시키는 구조를 구비하는 전자선 여기 자외광원이 있다. 전자선 여기 자외광원은, 높은 안정성을 살린 광 계측 분야나, 저소비 전력성을 살린 살균이나 소독용, 혹은 높은 파장 선택성을 이용한 의료용 광원이나 바이오 화학용 광원으로서 기대되고 있다. 또, 전자선 여기 자외광원에는, 수은 램프 등보다도 소비 전력이 작다고 하는 이점도 있다.
또, 근년, 파장 360nm 이하와 같은 자외 영역의 광을 출력할 수 있는 발광 다이오드가 개발되어 있다. 그러나 이와 같은 발광 다이오드로부터의 출력광 강도는 아직 작고, 또 발광 다이오드에서는 발광면의 대면적화(大面積化)가 곤란하므로, 용도가 한정되어 버린다고 하는 문제가 있다. 이것에 반해, 전자선 여기 자외광원은 충분한 강도의 자외광을 생성할 수 있고, 또 타겟에 조사되는 전자선의 지름을 크게 함으로써, 대면적이고 또한 균일한 강도를 가지는 자외광을 출력할 수 있다.
그렇지만, 전자선 여기 자외광원에 있어서도, 자외광 발생 효율의 가일층(加一層)의 향상이 요구된다. 본 발명은 자외광 발생 효율을 높이는 것이 가능한 자외광 생성용 타겟, 전자선 여기 자외광원 및 자외광 생성용 타겟의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 감안하여, 본 발명자는 (PrxLu1－x)3Al5O12(Pr：LuAG 프라세오디뮴 첨가 류테튬·알루미늄·가넷(garnet), x의 범위는 0＜x＜1)를 자외광 생성용 타겟으로 이용하는 것을 생각했다. 그러나 선행 기술 문헌에 기재되어 있는 Pr：LuAG 결정을 이용했을 경우에는, 충분한 자외광 발생 효율을 얻는 것이 어려운 것으로 판명되었다. 이것에 반해, 본 발명자에 의한 시험 및 연구의 결과, Pr：LuAG 결정을 분말상(粉末狀) 또는 입상(粒狀)으로 하여, 이것을 막상(膜狀)으로 성형함으로써, Pr：LuAG 결정을 이용했을 경우보다도 현저하게 자외광 발생 효율을 높일 수 있는 것이 발견되었다. 즉, 일 실시 형태에 따른 자외광 생성용 타겟에 따르면, 사파이어, 석영 또는 수정(산화 규소의 결정, rock crystal)으로 이루어진 기판과, 기판상에 마련되고 전자선을 수신하여 자외선을 생성하는 발광층을 구비하고, 발광층이 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정을 포함함으로써, 자외광 발생 효율을 높일 수 있다.
또, 자외광 생성용 타겟은, 발광층의 두께가 0.5㎛ 이상 30㎛ 이하여도 좋다. 본 발명자에 의한 시험 및 연구에 의하면, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정을 포함하는 발광층이 이와 같은 두께를 가지는 경우에, 자외광 발생 효율을 보다 효과적으로 높일 수 있다.
또, 자외광 생성용 타겟은, 발광층에 있어서의 Pr：LuAG 결정의 미디언(median) 지름이 0.5㎛ 이상 30㎛ 이하여도 좋다. 본 발명자에 의한 시험 및 연구에 의하면, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정을 포함하는 발광층이 이와 같은 입경(粒俓)을 가지는 경우에, 자외광 발생 효율을 보다 효과적으로 높일 수 있다.
또, 자외광 생성용 타겟은, Pr：LuAG 결정의 표면이 열처리에 의해서 용융(溶融)되고, 다시 고체화된 결정 용융층으로 덮여 있어도 좋다. 그 경우, 결정 용융층에 의해서, Pr：LuAG 결정끼리, 및 Pr：LuAG 결정과 기판이 서로 융착되어 있어도 좋다.
또, 일 실시 형태에 따른 전자선 여기 자외광원은, 상기 어느 자외광 생성용 타겟과, 자외광 생성용 타겟에 전자선을 가하는 전자원을 구비한다. 이 전자선 여기 자외광원에 의하면, 상기 어느 자외선 생성용 타겟을 구비함으로써, 자외선 발생 효율을 높일 수 있다.
또, 일 실시 형태에 따른 자외광 생성용 타겟의 제조 방법에서는, 사파이어, 석영 또는 수정으로 이루어진 기판상에 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정을 퇴적시키고, Pr：LuAG 결정에 대해서 열처리를 행함으로써, Pr：LuAG 결정의 표면을 용융시키고, 다시 고체화시켜 결정 용융층을 형성한다. 이 자외광 생성용 타겟의 제조 방법에 의하면, 결정 용융층에 의해서, Pr：LuAG 결정끼리, 및 Pr：LuAG 결정과 기판이 서로 융착하므로, 발광층의 기계적 강도를 높임과 아울러, 기판으로부터의 발광층의 박리(剝離)를 억제할 수 있다. 이 제조 방법에 있어서, 열처리의 온도는 1400℃ 이상 2000℃ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 자외광 생성용 타겟, 전자선 여기 자외광원 및 자외광 생성용 타겟의 제조 방법에 의하면, 자외광 발생 효율을 높일 수 있다.
도 1은 일 실시 형태에 따른 전자선 여기 자외광원의 내부 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 자외광 생성용 타겟의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 3은 제1 실시예에 의해 제작된 자외광 생성용 타겟에 전자선을 조사하여 얻어진 자외광의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 표면에 알루미늄막이 증착된 Pr：LuAG 단결정 기판을 나타내는 도면이다.
도 5는 제2 실시예에 있어서, 각 기판상에 제작된 발광층에 전자선을 조사했을 때의, 전류량과 자외광의 피크 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 제3 실시예에 있어서의 발광층의 두께와 자외광의 피크 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 제4 실시예에 있어서의 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름과 자외광의 피크 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 제5 실시예에 의해 제작된 자외광 생성용 타겟에 전자선을 조사하여 얻어진 자외광의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 9는 세로축이 피크 강도를 나타내고 가로축이 발광층 두께(대수 눈금)를 나타내는 그래프상에 측정 결과를 표시(plot)한 것이다.
도 10은 막 두께를 미디언 지름으로 나눈 값을 가로축(대수 눈금)에 나타낸 그래프이다.
도 11은 기판상에 퇴적된 Pr：LuAG 결정 입자를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 실시예에 있어서의 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름과 자외광의 피크 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 바인더를 이용해 형성된 발광층의 발광 강도, 및 열처리에 의해 형성된 발광층의 발광 강도의 경시(經時) 변화를 나타내는 그래프이다.
도 14는 발광층의 Pr：LuAG 결정 입자의 상태를 촬영한 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 15는 도 14의 확대 사진이다.
도 16은 발광층의 Pr：LuAG 결정 입자의 상태를 촬영한 SEM 사진이다.
도 17은 도 16의 확대 사진이다.
도 18은 발광층의 Pr：LuAG 결정 입자의 상태를 촬영한 SEM 사진이다.
도 19는 도 18의 확대 사진이다.
도 20은 발광층의 Pr：LuAG 결정 입자의 상태를 촬영한 SEM 사진이다.
도 21은 도 20의 확대 사진이다.
도 22는 발광층을 벗겨낸 후의 사파이어 기판의 표면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 23은 발광층을 벗겨낸 후의 사파이어 기판의 표면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 2는 자외광 생성용 타겟의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 3은 제1 실시예에 의해 제작된 자외광 생성용 타겟에 전자선을 조사하여 얻어진 자외광의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 표면에 알루미늄막이 증착된 Pr：LuAG 단결정 기판을 나타내는 도면이다.
도 5는 제2 실시예에 있어서, 각 기판상에 제작된 발광층에 전자선을 조사했을 때의, 전류량과 자외광의 피크 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 제3 실시예에 있어서의 발광층의 두께와 자외광의 피크 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 제4 실시예에 있어서의 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름과 자외광의 피크 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 제5 실시예에 의해 제작된 자외광 생성용 타겟에 전자선을 조사하여 얻어진 자외광의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 9는 세로축이 피크 강도를 나타내고 가로축이 발광층 두께(대수 눈금)를 나타내는 그래프상에 측정 결과를 표시(plot)한 것이다.
도 10은 막 두께를 미디언 지름으로 나눈 값을 가로축(대수 눈금)에 나타낸 그래프이다.
도 11은 기판상에 퇴적된 Pr：LuAG 결정 입자를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 실시예에 있어서의 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름과 자외광의 피크 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 바인더를 이용해 형성된 발광층의 발광 강도, 및 열처리에 의해 형성된 발광층의 발광 강도의 경시(經時) 변화를 나타내는 그래프이다.
도 14는 발광층의 Pr：LuAG 결정 입자의 상태를 촬영한 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 15는 도 14의 확대 사진이다.
도 16은 발광층의 Pr：LuAG 결정 입자의 상태를 촬영한 SEM 사진이다.
도 17은 도 16의 확대 사진이다.
도 18은 발광층의 Pr：LuAG 결정 입자의 상태를 촬영한 SEM 사진이다.
도 19는 도 18의 확대 사진이다.
도 20은 발광층의 Pr：LuAG 결정 입자의 상태를 촬영한 SEM 사진이다.
도 21은 도 20의 확대 사진이다.
도 22는 발광층을 벗겨낸 후의 사파이어 기판의 표면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 23은 발광층을 벗겨낸 후의 사파이어 기판의 표면을 촬영한 SEM 사진이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 자외광 생성용 타겟, 전자선 여기 자외광원 및 자외광 생성용 타겟의 제조 방법의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 전자선 여기 자외광원(10)의 내부 구성을 나타내는 모식도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 전자선 여기 자외광원(10)에서는, 진공 배기(排氣)된 유리 용기(전자관)(11)의 내부의 상단측에, 전자원(12) 및 인출 전극(13)이 배치되어 있다. 그리고 전자원(12)과 인출 전극(13)의 사이에 전원부(16)로부터 적당한 인출(引出) 전압이 인가되면, 고전압에 의해서 가속된 전자선 EB가 전자원(12)으로부터 출사(出射)된다. 전자원(12)에는, 예를 들면 대면적의 전자선을 출사하는 전자원(예를 들면 카본 나노 튜브 등의 냉음극(冷陰極), 혹은 열음극(熱陰極))을 이용할 수 있다.
또, 용기(11)의 내부의 하단 측에는, 자외광 생성용 타겟(20)이 배치되어 있다. 자외광 생성용 타겟(20)은 예를 들면 접지 전위로 설정되고, 전자원(12)에는 전원부(16)로부터 음의 고전압이 인가된다. 이것에 의해, 전자원(12)으로부터 출사 된 전자선 EB는 자외광 생성용 타겟(20)에 조사된다. 자외광 생성용 타겟(20)은 이 전자선 EB를 수신하여 여기되어 자외광 UV를 생성한다.
도 2는 자외광 생성용 타겟(20)의 구성을 나타내는 측면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 자외광 생성용 타겟(20)은 기판(21)과, 기판(21)상에 마련된 발광층(22)과, 발광층(22)상에 마련된 알루미늄막(23)을 구비하고 있다. 기판(21)은 자외선(파장 400nm이하) 투과성인 사파이어(Al2O3), 석영(SiO2) 또는 수정으로 이루어진 판 모양의 부재이며, 주면(主面)(21a) 및 이면(裏面)(21b)을 가진다. 또한, 기판(21)의 바람직한 두께는 0.1mm 이상 10mm 이하이다.
발광층(22)은 도 1에 도시된 전자선 EB를 수신하여 여기되어 자외광 UV를 생성한다. 발광층(22)은 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정을 포함한다. 여기서, Pr：LuAG 결정이란, Pr：LuAG 단결정 및 Pr：LuAG 다결정 중 어느 것이어도 좋고, 양쪽이 혼재해도 좋다. 후술하는 실시예로부터 알 수 있는 것처럼, 발광층(22)의 바람직한 두께는 0.5㎛ 이상 30㎛ 이하이다. 또, 발광층(22)의 바람직한 미디언 지름은 0.5㎛ 이상 30㎛이하이다. 또, Pr：LuAG 결정의 Pr 농도는, 0.05 원자 퍼센트 이상 2.0 원자 퍼센트 이하인 것이 바람직하고, 0.1 원자 퍼센트 이상 1.0 원자 퍼센트 이하이면 더욱 바람직하다.
본 실시 형태에 의해서 얻어지는 효과에 대해서 설명한다. 후술하는 각 실시예로부터 알 수 있는 것처럼, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정을 자외광 생성용 타겟으로서 이용함으로써, Pr：LuAG 단결정을 이용하는 경우보다도 현저하게 자외광 발생 효율을 높일 수 있다. 본 실시 형태의 자외광 생성용 타겟(20)은 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정을 포함하는 발광층(22)을 구비하고 있으므로, 고효율로 자외광을 생성할 수 있다. 또한, 이와 같은 작용은, Pr：LuAG 결정을 분말상 또는 입상으로 함으로써, Pr：LuAG 결정과 전자선의 반응 면적이 증대하는 것과 광 취출 효율이 증대하는 것에 기인한다고 생각할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 발광층은, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정을 기판상에 퇴적하는 등의 방법에 의해서 형성될 수 있으므로, 큰 면적을 가지는 자외광 생성용 타겟을 용이하게 제작할 수 있다.
(제1 실시예)
이어서, 상기 실시 형태의 제1 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예에서는, 우선, 직경 18.6mm, 두께 1.2mm의 합성 석영 기판을 준비했다. 다음으로, Pr：LuAG 단결정 기판을 준비하고, 유발(乳鉢)을 이용하여 이 Pr：LuAG 단결정 기판을 분쇄함으로써, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 단결정을 제작했다. 이어서, 이 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 단결정을, 침강법(沈降法)에 의해 합성 석영 기판상에 퇴적시킴으로써, 발광층을 형성했다. 그 후, 이 발광층의 위에 유기막(셀룰로스 나이트레이트(cellulose nitrate))을 형성하고, 그 유기막상에 알루미늄막을 증착했다. 마지막으로, 발광층을 소성(燒成)함으로써, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 단결정을 일체화했다. 소성 후에 있어서의 발광층의 두께는 10㎛였다.
도 3의 그래프 G11은, 본 실시예에 의해 제작된 자외광 생성용 타겟에 전자선을 조사하여 얻어진 자외광의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 또한, 도 3에는, 비교를 위해 그래프 G12가 함께 도시되어 있다. 그래프 G12는, 도 4에 도시된 바와 같이 표면에 알루미늄막(101)이 증착된 Pr：LuAG 단결정 기판(102)에 전자선을 조사하여 얻어진 자외광의 스펙트럼이다. 또한, 그래프 G11 및 G12에서는, 전자선의 가속 전압을 10kV로 하고, 전자선의 세기(전류량)를 50㎂로 하고, 전자선의 지름을 2mm로 하였다. 도 3으로부터 알 수 있는 것처럼, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 단결정을 포함하는 본 실시 형태의 발광층에서는, Pr：LuAG 단결정 기판과 비교하여, 전자선의 조사에 의해 생성되는 자외광의 피크 강도가 현격히 커진다(즉 발광 효율이 현격히 높아진다).
(제2 실시예)
이어서, 상기 실시 형태의 제2 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예에서는, 자외광 생성용 타겟의 기판 재료에 의한 영향에 대해서 조사하기 위해서, 합성 석영 기판과 사파이어 기판을 준비했다. 합성 석영 기판으로서는, 직경 18.6mm, 두께 1.2mm의 기판을 준비했다. 또, 사파이어 기판으로서는, 직경 18mm, 두께 0.43mm의 기판을 준비했다. 그리고 이러한 기판상에, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 단결정을 포함하는 발광층과 알루미늄막을, 제1 실시 형태와 같은 방법에 의해 제작했다.
도 5는 각 기판 각각에 제작된 발광층에 전자선을 조사했을 때의, 전류량과 자외광의 피크 강도의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 5에 있어서, 그래프 G21은 합성 석영 기판상에 제작된 발광층에 관한 그래프이다. 또, 그래프 G22는 사파이어 기판상에 제작된 발광층에 관한 그래프이다. 도 5에 도시된 것처럼, 합성 석영 기판상에 제작된 발광층은 전류량이 커지면, 발광 강도의 증가율이 저하했다. 이것에 반해, 사파이어 기판상에 제작된 발광층은, 전류량이 커져도 증가율이 저하하지 않고, 양호한 직선성을 나타냈다. 이와 같은 결과는, 합성 석영 기판보다 사파이어 기판이 열전도성이 양호한 것에 기인한다고 생각할 수 있다.
(제3 실시예)
이어서, 상기 실시 형태의 제3 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예에서는, 제1 실시예와 마찬가지의 방법에 의해서 자외광 생성용 타겟을 제작하여, 발광층의 두께와 자외광의 피크 강도의 관계에 대해서 실험을 행했다. 즉, 다양한 두께로 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정을 퇴적시켜 발광층을 제작하고, 그러한 발광층에 전자선을 조사하여 생성되는 자외광의 피크 강도를 계측한 후, 그러한 발광층의 단면을 SEM를 이용해 관찰함으로써 두께를 측정했다. 도 6은 그 결과인 발광층의 두께와 자외광의 피크 강도의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 도면 중의 곡선 G31은 근사(近似) 곡선이다. 또, 도 6에서는, 전자선의 가속 전압을 10kV로 하고, 전자선의 세기(전류량)를 50㎂로 하고, 전자선의 지름을 2mm로 하였다.
도 6을 참조하면, 발광층의 두께가 어느 정도의 값(약 12㎛)을 하회하는 경우에는, 발광층이 두꺼울수록 자외광의 피크 강도가 커지고 있고, 발광 효율이 높아진다. 그러나 발광층의 두께가 그 값을 초과하면, 자외광의 피크 강도는 반대로 저하하고 있다. 또, 이 그래프로부터, 충분히 실용적인 자외광 강도(발광 효율)를 얻기 위해서는, 발광층의 두께가 0.5㎛ 이상 30㎛ 이하인 것이 바람직하고, 6㎛ 이상 20㎛ 이하이면 더욱 바람직하다는 것을 알 수 있다.
(제4 실시예)
이어서, 상기 실시 형태의 제4 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예에서는, 발광층에 포함되는 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름과 자외광의 피크 강도의 관계에 대해서 실험을 행했다. 즉, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정을 퇴적시켜 복수의 기판상에 발광층을 제작하고, 그러한 발광층에 전자선을 조사하여 생성되는 자외광의 피크 강도를 계측했다. 또한, 발광층에 포함되는 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름은, 기판상에 퇴적시키기 전에 입도 분포계를 이용하여 측정했다. 도 7은 그 결과인 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름과 자외광의 피크 강도의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 도면 중의 곡선 G41은 근사 곡선이다. 또, 도 7에서는, 전자선의 가속 전압을 10kV로 하고, 전자선의 세기(전류량)를 70㎂로 하고, 전자선의 지름을 2mm로 하였다.
도 7을 참조하면, Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 클수록, 자외광의 피크 강도가 커져 있고, 발광 효율이 높아지는 것을 알 수 있다. 단, Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 1. 6㎛를 초과하면, 자외광의 피크 강도의 증가율은 작게 억제된다. 또, 이 그래프로부터, Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 0.5㎛ 이상이면, 충분히 실용적인 자외광 강도(발광 효율)가 얻어지는 것을 알 수 있다. Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 0.5㎛보다도 작으면, 이하의 이유 (1) ~ (3)에 의해 발광 효율이 저하된다고 생각할 수 있다. (1) 발광층에서 발광한 광은 Pr：LuAG 결정 입자에 의해서 산란(散亂)하지만, Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 0.5㎛ 보다도 작으면, 결정 입자에 의한 산란이 증가하므로, 발광층을 투과하여 출력되는 광의 비율이 저하한다. (2) Pr：LuAG 결정 입자의 표면 부근에서는 입자 내부와 비교하여 결함 밀도가 높기 때문에, 입자 표면 부근의 발광 효율은, 입자 내부의 발광 효율과 비교하여 낮아진다. 그리고 Pr：LuAG 결정의 체적의 총합이 일정하다면, Pr：LuAG 결정 입자의 입경이 작을수록, Pr：LuAG 결정의 표면적이 커진다. 따라서 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 0.5㎛ 보다도 작으면, 결함 밀도가 높고 발광 효율이 낮은 부분의 비율이 많아져, 발광 효율이 저하된다. (3) Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 0.5㎛ 보다도 작으면, 전자선 조사시의 방열 효율이 낮아지기 때문에, Pr：LuAG 결정의 온도가 높아져, 발광 효율이 저하된다.
또한, Pr：LuAG 결정의 미디언 지름은 30㎛ 이하인 것이 바람직하다. Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 30㎛ 이하인 것에 의해서, 기판상에 Pr：LuAG 결정을 퇴적시킬 때에, Pr：LuAG 결정의 기판으로부터의 박리를 억제할 수 있다.
(제5 실시예)
이어서, 상기 실시 형태의 제5 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예에서는, 먼저, Pr을 0.7 원자 퍼센트 함유하는 다결정판을 제작했다. 다음으로, 이 다결정판을 유발을 이용하여 분쇄함으로써, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 다결정을 제작했다. 이어서, 이 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 다결정을, 침강법에 의해 합성 석영 기판상에 퇴적시킴으로써, 발광층을 형성했다. 그 후, 이 발광층 위에 유기막(셀룰로스 나이트레이트)을 형성하고, 그 유기막상에 알루미늄막을 증착했다. 마지막으로, 발광층을 소성함으로써, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 다결정을 일체화했다. 소성 후에 있어서의 발광층의 두께는 10㎛였다.
도 8의 그래프 G51은, 본 실시예에 의해 제작된 자외광 생성용 타겟에 전자선을 조사하여 얻어진 자외광의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 또한, 도 8에는, 비교를 위해 그래프 G52가 함께 도시되어 있다. 그래프 G52는, 표면에 알루미늄막이 증착된 Pr：LuAG 다결정판에 전자선을 조사하여 얻어진 자외광의 스펙트럼이다. 도 8을 참조하면, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 다결정을 포함하는 본 실시예의 발광층에서는, Pr：LuAG 다결정판과 비교하여, 전자선의 조사에 의해 생성되는 자외광의 피크 강도가 현격히 커지는(즉 발광 효율이 현격히 높아진다) 것을 알 수 있다.
(제6 실시예)
이어서, 상기 실시 형태의 제6 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예에서는, 발광층에 포함되는 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 다양한 값을 가지는 경우에, 발광층의 두께와 자외광의 피크 강도의 관계에 대해서 실험을 행했다. 즉, 미디언 지름이 0.5㎛, 1.0㎛, 6.5㎛ 및 30㎛인 Pr：LuAG 결정을 각각 퇴적시켜, 각 미디언 지름에 있어서 두께가 다른 복수의 발광층을 제작하고, 그러한 발광층에 전자선을 조사하여 생성되는 자외광의 피크 강도를 계측했다. 또한, 발광층에 포함되는 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름은, 기판상에 퇴적시키기 전에 입도 분포계를 이용하여 측정했다.
도 9는 세로축이 피크 강도를 나타내고 가로축이 발광층 두께(대수 눈금)를 나타내는 그래프상에 그 결과를 표시한 것이다. 또, 도 10은 막 두께를 미디언 지름으로 나눈 값(즉, Pr：LuAG 결정 입자의 적층수)을 가로축(대수 눈금)에 나타낸 그래프로서, 도면 중에 있어서의 곡선 G61, G62, 및 G63은, 미디언 지름 0.5㎛, 1.0㎛, 및 6.5㎛의 각각에 있어서의 근사 곡선이다. 또, 도 11 (a) ~ 도 11 (c)는, 기판(21)상에 퇴적된 Pr：LuAG 결정 입자(22a)를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 피크 강도가 높아지는(즉 발광 효율이 높아지는) 두께는, Pr：LuAG 결정의 미디언 지름에 따라서 다른 것을 알 수 있다. 즉, Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 0.5㎛인 경우, 자외광의 피크 강도가 가장 높아지는 두께는 3㎛이고, 그때의 적층수는 6층이다(도 11 (a)). 그리고 충분히 실용적인 피크 강도가 얻어지는 두께의 범위는 0.5㎛ 이상 5㎛ 이하이다. 또, Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 1.0㎛인 경우, 자외광의 피크 강도가 가장 높아지는 두께는 3㎛이고, 그때의 적층수는 3층이다(도 11 (b)). 그리고 충분히 실용적인 피크 강도가 얻어지는 두께의 범위는 1㎛ 이상 10㎛ 이하이다. 또, Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 6.5㎛인 경우, 자외광의 피크 강도가 가장 높아지는 두께는 10㎛이고, 그때의 적층수는 약 1.5층이다(도 11 (c)). 그리고 충분히 실용적인 피크 강도가 얻어지는 두께의 범위는 3㎛ 이상 30㎛ 이하이다.
상술한 바와 같이, Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 작을수록, 발광층이 두꺼워졌을 경우의 발광 효율의 저하가 현저해진다. 이것은, Pr：LuAG 결정 입자의 적층수가 증가할수록, 발광층에 있어서의 자외광의 투과율이 저하하는 것에 기인한다고 생각할 수 있다. 또, 어느 미디언 지름에 있어서도, 발광층의 두께가 어느 값보다도 얇아지면 발광 효율이 저하된다. 이것은, 발광층의 두께가 얇아지면 Pr：LuAG 결정에 의한 기판 표면의 피복율이 저하하는 것에 기인한다고 생각할 수 있다. 또한, 어느 미디언 지름에 있어서도, 자외광의 피크 강도가 가장 높아질 때의 피복율은 100％이다.
또, 도 12는 본 실시예에 있어서의 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름과 자외광의 피크 강도의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 12를 참조하면, Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 6.5㎛를 하회하는 경우에는, 미디언 지름이 클수록 자외광의 피크 강도가 커져 있고, 발광 효율이 높아진다. 그러나 미디언 지름이 6.5㎛를 초과하면, 자외광의 피크 강도는 반대로 저하하고 있다. 이 그래프로부터, 자외광의 발광 효율을 높이기 위한 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름의 바람직한 범위는, 0.5㎛ 이상 100㎛ 이하인 것을 알 수 있다. 단, 미디언 지름이 30㎛를 초과하면 Pr：LuAG 결정의 입자와 기판의 부착력이 약해져 박리되어 버리기 때문에, 실용적인 미디언 지름의 바람직한 범위는 0.5㎛ 이상 30㎛ 이하이다.
(제7 실시예)
이어서, 상기 실시 형태의 제5 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예에서는, 바인더를 이용한 발광층의 형성과, 바인더를 이용하지 않는, 열처리에 의한 발광층의 형성을 설명한다.
＜바인더를 이용한 발광층의 형성＞
먼저, 직경 12mm, 두께 2mm의 사파이어 기판을 준비했다. 다음으로, Pr：LuAG 단결정 기판을 준비하고, 유발을 이용하여 이 Pr：LuAG 단결정 기판을 분쇄함으로써, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 단결정을 제작했다.
그리고 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 단결정, 순수한 물(純水), 및 바인더 재료로서의 규산 칼륨(K2SiO3) 수용액 및 아세트산 바륨 수용액을 혼합하여, 그 혼합액을 사파이어 기판상에 도포하고, 침강법에 의해 Pr：LuAG 단결정 및 바인더 재료를 사파이어 기판상에 퇴적시켜서, 발광층을 형성했다. 이어서, 발광층의 위에 유기막(셀룰로스 나이트레이트)을 형성하고, 그 유기막상에 알루미늄막을 진공 증착에 의해 형성했다. 마지막으로, 발광층을 대기중에 있어서 350℃로 소성함으로써 유기막을 분해하여 기화시켜서, 발광층에 알루미늄막이 접하는 구조로 했다.
＜열처리에 의한 발광층의 형성＞
먼저, 직경 12mm, 두께 2mm의 사파이어 기판을 준비했다. 다음으로, Pr：LuAG 단결정 기판을 준비하고, 유발을 이용하여 이 Pr：LuAG 단결정 기판을 분쇄함으로써, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 단결정을 제작했다.
그리고 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 단결정 및 용매(에탄올)를 혼합하고, 그 혼합액을 사파이어 기판상에 도포한 후 용매를 건조시켰다. 이렇게 하여 Pr：LuAG 단결정을 사파이어 기판상에 퇴적시켜서, 발광층을 형성했다. 이어서, 감압된 분위기 중에 있어서 그 발광층의 열처리(1600℃)를 행했다. 이 열처리는, 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 단결정의 표면을 용융시켜서, 결정 입자끼리, 및 결정 입자와 사파이어 기판의 표면을 서로 융착한 구조로 함으로써, 발광층의 부착력을 강하게 하기 위해 행해졌다. 그 후, 발광층의 위에 유기막(셀룰로스 나이트레이트)을 형성하고, 그 유기막상에 알루미늄막을 진공 증착에 의해 형성했다. 마지막으로, 발광층을 대기 중에 있어서 350℃로 소성함으로써 유기막을 분해하여 기화시켜서, 발광층에 알루미늄막이 접하는 구조로 했다.
도 13은 바인더를 이용하여 형성된 발광층의 발광 강도, 및 열처리에 의해 형성된 발광층의 발광 강도의 경시 변화를 나타내는 그래프이다. 도 13에 있어서, 세로축은 규격화된 발광 강도(초기치는 1.0)를 나타내고 있고, 가로축은 전자선 조사 시간(단위：시간)을 대수 눈금으로 나타내고 있다. 또, 그래프 G71은 바인더를 이용하여 형성된 발광층의 그래프를 나타내고 있고, 그래프 G72는 열처리에 의해 형성된 발광층의 그래프를 나타내고 있다. 또한, 그래프 G71 및 G72에서는, 전자선의 가속 전압을 10kV로 하고, 전자선의 세기(전류량)를 200㎂로 했다.
도 13에 도시된 바와 같이, 바인더를 이용하지 않고 열처리에 의해서 발광층을 형성했을 경우(그래프 G72), 바인더를 이용했을 경우(그래프 G71)보다도 발광 강도의 경시 변화(발광 강도 저하)가 작아졌다. 이것은, 다음의 이유에 기인한다고 생각할 수 있다. 즉, 바인더를 이용하여 발광층을 형성했을 경우, 완성된 발광층의 안에는, Pr：LuAG 결정 외에도 바인더 재료가 포함된다. 이 발광층에 강한 에너지의 전자선을 조사하면, 자외선 외에도, 예를 들면 X선과 같은 자외선과는 다른 에너지선이 생성된다. 그리고 이 에너지선이 기판을 통과할 때, 기판에 데미지를 준다. 바인더를 이용했을 경우에는, 이와 같은 현상이 전자선의 조사마다 발생하므로, 기판에 데미지가 축적되어, 자외선의 투과율이 점차 저하된 것이라고 생각할 수 있다. 또, 바인더에 포함되는 칼륨이나 SiO2가 열화(劣化)함으로써 발광 효율이 저하했다고도 생각할 수 있다.
이것에 반해, 열처리에 의해서 발광층을 형성했을 경우, 발광층에 바인더 재료가 포함되지 않기 때문에, 자외선과는 다른 에너지선의 발생이 억제되고, 또 바인더 재료의 열화도 생기지 않는다. 따라서 기판의 데미지가 저감되어, 자외선의 투과율이 비교적 장시간에 걸쳐서 유지된다고 생각할 수 있다. 또한, 자외선과는 다른 에너지선에 의한 데미지는, 특히 사파이어 기판에 있어서 현저하다. 따라서 사파이어 기판상에 발광층을 형성하는 경우에는, 열처리에 의해서 발광층을 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, 도 14 ~ 도 21은, 발광층의 Pr：LuAG 결정 입자의 상태를 촬영한 전자 현미경(SEM) 사진이다. 이러한 도면에 있어서, (a)는 열처리 전의 상태를 나타내고 있고, (b)는 (a)와 동일한 개소에 있어서의 열처리 후의 상태를 나타내고 있다. 또, 도 15는 도 14의 확대 사진이고, 도 17은 도 16의 확대 사진이고, 도 19는 도 18의 확대 사진이고, 도 21은 도 20의 확대 사진이다.
도 14 ~ 도 21을 참조하면, 열처리 후의 Pr：LuAG 결정 입자에서는, 열처리 전과 비교하여, 표면이 용융되어 다시 고체화되어 있는 것을 알 수 있다. 특히, 도 18 (a)의 A부분과, 도 18 (b)의 A부분을 비교하면, 결정 입자의 표면이 녹아 둥글어지고, 결정 입자가 작아져 있는 것을 명확하게 알 수 있다. 환언하면, 열처리 후의 발광층에서는, 열처리에 의해 용융되고 다시 고체화된 결정 용융층이 Pr：LuAG 결정 입자의 표면을 덮고 있다. 그리고 서로 이웃하는 Pr：LuAG 결정 입자의 결정 용융층끼리가 서로 융착함으로써, Pr：LuAG 결정 입자끼리가 서로 강고하게 결합되므로, 상술한 바인더를 이용하는 일 없이, 발광층의 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.
또, 상술한 결정 용융층은, Pr：LuAG 결정 입자와 기판의 결합에도 기여한다. 여기서, 도 22 및 도 23은, 발광층을 벗겨낸 후의 사파이어 기판의 표면을 촬영한 전자 현미경(SEM) 사진이다. 이들 도면에 있어서, (a)는 열처리에 의해 형성된 발광층을 벗겨낸 경우를 나타내고 있고, (b)는 바인더를 이용하여 형성된(열처리가 되어 있지 않은) 발광층을 벗겨낸 경우를 나타내고 있다. 또한, 본 실시예에서는, 벰코트(BEMCOT)(등록상표)를 이용하여 발광층을 강하게 문지름으로써, 발광층을 제거했다.
도 22 (a) 및 도 23 (a)를 참조하면, 열처리에 의해 형성된 발광층을 벗겨낸 경우, Pr：LuAG 결정을 완전하게는 제거하지 못하고, 사파이어 기판의 표면에 Pr：LuAG 결정의 결정 용융층이 남아 있다. 한편, 도 22 (b) 및 도 23 (b)를 참조하면, 바인더를 이용하여 형성된(열처리가 되어 있지 않는) 발광층을 벗겨낸 경우, Pr：LuAG 결정을 완전하게 제거할 수 있어, 사파이어 기판의 표면만이 찍혀 있다. 이들 SEM 사진으로부터, 열처리에 의해 형성된 발광층에서는, 결정 용융층이 기판 표면에 융착함으로써, Pr：LuAG 결정 입자와 기판이 보다 강고하게 결합되어, 발광층의 박리가 억제되고 있다는 것을 생각할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 발광층에 대한 열처리의 온도를 1600℃로 했지만, 열처리의 온도는 1400℃ 이상인 것이 바람직하고, 또 2000℃ 이하인 것이 바람직하다. 열처리의 온도가 1400℃ 이상인 것에 의해, Pr：LuAG 결정 입자 표면의 결정 용융층을 충분한 두께로 형성하여, 결정 입자끼리, 및 결정 입자와 기판의 부착력을 높여, 전자선 조사 때의 발광층의 박리를 효과적으로 막을 수 있다. 또, 열처리의 온도가 2000℃ 이하인 것에 의해서, Pr：LuAG의 결정 구조의 변화를 억제하여, 발광 효율의 저하를 막을 수 있다. 또, 기판(특히 사파이어 기판)의 변형을 막을 수 있다.
본 발명에 의한 자외광 생성용 타겟, 전자선 여기 자외광원, 및 자외광 생성용 타겟의 제조 방법은, 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 그 밖에 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시 형태 및 각 실시예에서는 발광층의 위에 알루미늄막을 증착시키고 있지만, 상기 실시 형태 및 각 실시예에서는 알루미늄막은 생략되어도 된다. 또한, 알루미늄막은 대전(帶電) 방지용의 도전막으로서 기능하고 있고, 알루미늄 이외의 도전막으로 해도 좋다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 자외광 발생 효율을 높이는 것이 가능한 자외광 생성용 타겟, 전자선 여기 자외광원 및 자외광 생성용 타겟의 제조 방법으로서 이용 가능하다.
10: 전자선 여기 자외광원, 11: 용기,
12: 전자원, 13: 인출 전극,
16: 전원부, 20: 자외광 생성용 타겟,
21: 기판, 21a: 주면(主面),
21b: 이면(裏面), 22: 발광층,
23: 알루미늄막, EB: 전자선,
UV: 자외광.
12: 전자원, 13: 인출 전극,
16: 전원부, 20: 자외광 생성용 타겟,
21: 기판, 21a: 주면(主面),
21b: 이면(裏面), 22: 발광층,
23: 알루미늄막, EB: 전자선,
UV: 자외광.
Claims (8)
- 사파이어, 석영 또는 수정으로 이루어진 기판, 상기 기판상에 마련되고, 전자선을 수신하여 자외광을 발생시키는 발광층과, 상기 발광층 상에 설치된 도전막을 구비하고, 상기 발광층이 분말상(粉末狀) 또는 입상(粒狀)의 Pr：LuAG 결정을 포함하는 자외광 생성용 타겟과,
상기 자외광 생성용 타겟에 상기 전자선을 가하는 전자원과,
상기 전자원에 인출 전압을 인가하기 위한 인출 전극과,
상기 전자원 및 상기 인출 전극에 전압을 인가하는 전원부와,
상기 자외광 생성용 타겟, 상기 전자원과 상기 인출 전극이 배치되고, 진공 배기된 전자관을 포함하고,
상기 전자선은 상기 도전막을 통하여 상기 발광층에 입사하고,
상기 발광층에서 발생한 상기 자외광은 상기 기판에서 출사하는 전자선 여기 자외광원. - 청구항 1에 있어서,
상기 발광층의 두께가 0.5㎛ 이상 30㎛ 이하인 전자선 여기 자외광원. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 발광층에 있어서의 상기 Pr：LuAG 결정의 미디언 지름이 0.5㎛ 이상 30㎛ 이하인 전자선 여기 자외광원. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 Pr：LuAG 결정의 표면이, 열처리에 의해서 용융되고 다시 고체화된 결정 용융층에 덮여 있는 전자선 여기 자외광원. - 청구항 4에 있어서,
상기 결정 용융층에 의해서, 상기 Pr：LuAG 결정끼리, 및 상기 Pr：LuAG 결정과 상기 기판이 서로 융착되어 있는 전자선 여기 자외광원. - 삭제
- 사파이어, 석영 또는 수정으로 이루어진 기판상에 분말상 또는 입상의 Pr：LuAG 결정을 퇴적시키고, 상기 Pr：LuAG 결정에 대해서 열처리를 행함으로써, 상기 Pr：LuAG 결정의 표면을 용융시키고, 다시 고체화시켜 결정 용융층을 형성하는 자외광 생성용 타겟의 제조 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 열처리의 온도가 1400℃ 이상 2000℃ 이하인 자외광 생성용 타겟의 제조 방법.
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