KR102358260B1 - Nanophosphor for ultraviolet imaging device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 입사되는 특정 파장대역의 자외선을 선택적으로 흡수하여 특정 색상의 가시광을 발광할 수 있는 코어-쉘 구조의 나노형광체에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 자외선 이미징 장치용 나노형광체는, NaLuF4 나노결정에 자외선을 흡수하기 위한 세륨(Ce)을 부활제로 도핑하고, 자외선으로부터 흡수된 에너지를 활성제로 전달하기 위한 가돌리늄(Gd)을 공부활제로 도핑하고, 상기 흡수된 에너지를 전달받아 발광하기 위한 유로퓸(Eu)을 활성제로 도핑하여 합성된다. 실시예에 따른 나노형광체의 크기는 60 nm를 초과하지 않기 때문에 미세한 픽셀 크기를 갖는 패턴으로 제작이 용이하여, 종래의 기술에 비해 분해능이 우수한 자외선 이미징 장치를 구현할 수 있다.The present invention relates to a nanophosphor having a core-shell structure capable of emitting visible light of a specific color by selectively absorbing an incident ultraviolet light in a specific wavelength band. A nanophosphor for an ultraviolet imaging device according to an embodiment is doped with cerium (Ce) for absorbing ultraviolet light into NaLuF 4 nanocrystals as an activator, and gadolinium (Gd) for transferring energy absorbed from ultraviolet light to the activator is studied It is synthesized by doping with a lubricant, and doping europium (Eu) for emitting light by receiving the absorbed energy with an activator. Since the size of the nanophosphor according to the embodiment does not exceed 60 nm, it is easy to fabricate a pattern having a fine pixel size, so that an ultraviolet imaging device having superior resolution compared to the prior art can be realized.
Description
본 발명은 자외선 이미징 장치용 나노형광체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입사되는 특정 파장대역의 자외선을 선택적으로 흡수하여 특정 색상의 가시광을 발광할 수 있는 코어-쉘 구조의 고효율 나노형광체에 관한 것이다.The present invention relates to a nanophosphor for an ultraviolet imaging device, and more particularly, to a high-efficiency nanophosphor having a core-shell structure capable of emitting visible light of a specific color by selectively absorbing an incident ultraviolet light in a specific wavelength band.
[국가지원 연구개발에 대한 설명][Description of state-funded R&D]
본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에, 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업(형광이미징 적용을 위한 공부활제 제어 기반 고효율 업컨버전 나노형광체 개발, 과제고유번호: 1711084598) 및 산업통산자원부의 신재생에너지핵심기술사업(확장이 용이한 투명 태양전지 플랫폼 개발, 과제고유번호: 20193091010240)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.This study was conducted under the supervision of the Korea Institute of Science and Technology, and the mid-level researcher support project of the Ministry of Science and ICT (development of high-efficiency up-conversion nanophosphor based on study activity control for fluorescent imaging application, unique project number: 1711084598) and the Ministry of Trade, Industry and Energy's new and renewable energy. This was done with the support of the Energy Core Technology Project (development of a transparent solar cell platform that is easy to expand, unique project number: 20193091010240).
인체는 약 400 내지 700 nm의 파장대역에 해당하는 가시광에 대해서만 인지할 수 있으며, 이보다 파장이 짧은 자외선이나 파장이 긴 적외선 영역에 대해서는 인지가 불가능하다. 최근에는 이러한 적외선 및 자외선을 감지하는 응용기술에 대한 수요가 높아지고 있는데, 적외선은 야간 투시경, 열화상 카메라, 가스 센싱 등에 이용될 수 있으며, 자외선은 약물 탐지, 의료용 이미징, 단백질 분석 등 다양한 분야에서 이용될 수 있다.The human body can recognize only visible light corresponding to a wavelength band of about 400 to 700 nm, and cannot recognize ultraviolet light having a shorter wavelength or infrared light having a longer wavelength than this. Recently, the demand for such infrared and ultraviolet sensing application technology is increasing. Infrared rays can be used for night vision, thermal imaging cameras, gas sensing, etc., and ultraviolet rays are used in various fields such as drug detection, medical imaging, and protein analysis. can be
특히, 가시광선보다 더 짧은 파장을 갖는 자외선을 이용하면 가시광선으로는 촬영하기 어려운 피사체의 표면에 존재하는 아주 미세한 굴곡이나 요철을 찾아내거나, 자외선에 반응하는 화학성분 등을 선택적으로 구별하여 영상화할 수 있다. In particular, by using ultraviolet rays having a shorter wavelength than visible light, it is possible to find very fine curves or irregularities on the surface of an object that are difficult to photograph with visible light, or to selectively distinguish and image chemical components that react to ultraviolet rays. have.
가시광선보다 파장이 짧은 자외선을 시각화하기 위해서는 자외선 이미징 장치가 필요한데, 자외선을 흡수하여 가시광을 발광하는 파장 변환 소재를 이용하면 눈에 보이지 않는 자외선을 이미징 하는 것이 가능하다. 이러한 파장 변환 소재로는 특수염료나 양자점 물질, 파장 선택적인 흡수가 가능한 형광체가 이용되고 있다.In order to visualize ultraviolet rays having a shorter wavelength than visible light, an ultraviolet imaging device is required. Using a wavelength conversion material that absorbs ultraviolet light and emits visible light, it is possible to image invisible ultraviolet light. As these wavelength conversion materials, special dyes, quantum dot materials, and phosphors capable of wavelength-selective absorption are used.
실질적인 자외선 이미징 장치를 구현하기 위해서는 특정 파장대역의 자외선을 선택적으로 흡수하여 발광할 수 있는 소재를 패턴화하여야 하는데, 기존의 염료나 양자점 물질은 자외선을 선택적으로 흡수하지 못하고 넓은 파장 영역대의 자외선을 흡수하기 때문에 효율이 떨어지는 단점이 있으며, 파장의 선택적인 흡수가 가능한 기존 형광체의 경우 마이크로미터 영역의 크기를 가지고 있어 작은 픽셀 크기로 패턴화하는 것이 어려운 단점이 있다.In order to realize a practical UV imaging device, it is necessary to pattern a material capable of emitting light by selectively absorbing UV light in a specific wavelength band. Therefore, there is a disadvantage that the efficiency is lowered, and in the case of an existing phosphor capable of selectively absorbing wavelengths, it has a size of a micrometer region, so it is difficult to pattern with a small pixel size.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로서, 크기가 60 nm를 초과하지 않으면서도 특정 파장대역의 자외선과 반응하여 특정 색상으로 발광할 수 있는 자외선-가시광선 변환 효율이 높은 나노형광체를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was conceived to solve the above problems, and provides a nano-phosphor with high UV-visible light conversion efficiency that can emit light in a specific color by reacting with UV light in a specific wavelength band without exceeding 60 nm in size. aim to do
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들이 다음과 같이 제공된다.Embodiments of the present invention for achieving the above object are provided as follows.
일 실시예에 따른 자외선 이미징 장치용 나노형광체는, NaLuF4 나노결정에 자외선을 흡수하기 위한 세륨(Ce)을 부활제로 하고, 자외선으로부터 흡수된 에너지를 활성제로 전달하기 위한 가돌리늄(Gd)을 공부활제로 하고, 상기 흡수된 에너지를 전달받아 발광하기 위한 유로퓸(Eu)을 활성제로 도핑하여 합성될 수 있다.In the nanophosphor for an ultraviolet imaging device according to an embodiment, cerium (Ce) for absorbing ultraviolet rays to NaLuF 4 nanocrystals is used as an activator, and gadolinium (Gd) for transferring energy absorbed from ultraviolet rays to an activator is used as a co-active agent. It can be synthesized by doping europium (Eu) for emitting light by receiving the absorbed energy with an activator.
일 실시예에서, 상기 나노형광체의 발광 강도를 증대시키기 위해, 상기 나노형광체를 코어로 하고, 주위에 형성된 NaLuF4 결정질 쉘을 더 포함하여 코어-쉘 구조를 가질 수 있다.In one embodiment, in order to increase the light emission intensity of the nanophosphor, the nanophosphor may be a core and further include a NaLuF 4 crystalline shell formed around it to have a core-shell structure.
일 실시예에서, 상기 코어-쉘 구조를 갖는 나노형광체의 크기는 60 nm를 초과하지 않는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the size of the nanophosphor having the core-shell structure is characterized in that it does not exceed 60 nm.
일 실시예에서, 상기 나노형광체는 특정 파장대역의 자외선을 선택적으로 흡수하여 특정 색상의 가시광을 발광할 수 있다.In an embodiment, the nanophosphor may selectively absorb ultraviolet light of a specific wavelength band to emit visible light of a specific color.
일 실시예에서, 상기 자외선은 230 내지 250 nm의 파장대역을 가지고, 상기 가시광은 적색을 나타내는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the ultraviolet light has a wavelength band of 230 to 250 nm, it is characterized in that the visible light represents red.
일 실시예에서, 상기 나노형광체는, 상기 자외선과 상이한 파장대역을 갖는 자외선을 선택적으로 흡수하여 발광하기 위한 형광물질을 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the nanophosphor may further include a fluorescent material for selectively absorbing and emitting ultraviolet rays having a wavelength band different from that of the ultraviolet rays.
상기한 실시예들에 따른 나노형광제를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 이미징 장치가 제공될 수 있다.An ultraviolet imaging device comprising the nanofluorescent agent according to the above-described embodiments may be provided.
일 실시예에 따른 자외선 이미징 장치용 나노형광체의 합성 방법은, 염화루테튬 수화물(LuCl3.6H2O), 염화가돌리늄 수화물(GdCl3.6H2O), 염화세륨 수화물(CeCl3.7H2O), 및 염화유로퓸 수화물(EuCl3.6H2O)을, 용매인 올레익산과 1-옥타디센과 혼합한 후 가열하여 란탄족 착화합물 용액을 형성하는 단계; 상기 란탄족 착화합물 용액을, 수산화나트륨, 불화암모늄 및 메탄올 혼합 용액과 혼합하여 반응용액을 형성하는 단계; 및 상기 반응용액에서 메탄올을 제거한 후 열처리하여 베타(β)-NaLu0.35F4:Ce0.1,Gd0.5,Eu0.05 나노입자를 형성하는 단계를 포함한다.A method of synthesizing a nanophosphor for an ultraviolet imaging device according to an embodiment includes lutetium chloride hydrate (LuCl 3.6H 2 O), gadolinium chloride hydrate (GdCl 3.6H 2 O), cerium chloride hydrate (CeCl 3.7H 2 O) . ), and europium chloride hydrate (EuCl 3 .6H 2 O), mixed with oleic acid as a solvent and 1-octadicene, and then heated to form a lanthanide complex solution; forming a reaction solution by mixing the lanthanide complex compound solution with a mixed solution of sodium hydroxide, ammonium fluoride and methanol; And after removing methanol from the reaction solution, heat treatment to form beta (β)-NaLu 0.35 F 4 :Ce 0.1 , Gd 0.5 , Eu 0.05 nanoparticles.
일 실시예에서, 염화루테튬 수화물(LuCl3.6H2O)을 용매인 올레익산과 1-옥타디센과 혼합한 후 가열하여 제2 란탄족 착화합물 용액을 형성하는 단계; 상기 제2 란탄족 착화합물 용액에 상기 베타(β)-NaLu0.35F4:Ce0.1,Gd0.5,Eu0.05 나노입자를 포함하는 용액을 주입한 후 수산화나트륨, 불화암모늄 및 메탄올 혼합 용액과 혼합하여 제2 반응용액을 형성하는 단계; 및 상기 제2 반응용액에서 메탄올을 제거한 후 열처리하여 코어-쉘 구조의 나노형광체를 합성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of mixing lutetium chloride hydrate (LuCl 3 .6H 2 O) with oleic acid as a solvent and 1-octadicene and heating to form a second lanthanide complex solution; A solution containing the beta (β)-NaLu 0.35 F 4 :Ce 0.1 , Gd 0.5 , and Eu 0.05 nanoparticles was injected into the second lanthanide complex solution, and then mixed with a mixed solution of sodium hydroxide, ammonium fluoride and methanol to prepare 2 forming a reaction solution; and synthesizing a core-shell structured nanophosphor by heat-treating after removing methanol from the second reaction solution.
본 발명의 실시예에 따르면, NaLuF4 나노결정에 세륨(Ce), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu)이 도핑된 코어 나노형광체와, 상기 코어 나노형광체 주위에 형성된 결정질 쉘로 구성된 코어-쉘 구조를 갖는 자외선 이미징 장치용 나노형광체가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a core nanophosphor in which NaLuF 4 nanocrystals are doped with cerium (Ce), gadolinium (Gd), and europium (Eu), and a crystalline shell formed around the core nanophosphor have a core-shell structure There is provided a nano-phosphor for an ultraviolet imaging device having.
상기 나노형광체는 특정 파장대역의 자외선만을 선택적으로 흡수하여 특정 색상의 가시광 발광을 나타내는데, 다른 형광물질과 조합하여 다양한 색상을 구현하는 것이 가능하다. 또한 코어-쉘 구조로 형성되어 자외선-가시광선 변환효율이 우수하므로 자외선 이미징 장치에 이용하기에 적합하다.The nanophosphor selectively absorbs only ultraviolet rays of a specific wavelength band to emit visible light of a specific color, and it is possible to realize various colors by combining with other fluorescent materials. In addition, since it is formed in a core-shell structure and has excellent ultraviolet-visible light conversion efficiency, it is suitable for use in an ultraviolet imaging device.
실시예에 따른 나노형광체의 크기는 60 nm를 초과하지 않기 때문에 미세한 픽셀 크기를 갖는 패턴으로 제작이 용이하여, 종래의 기술에 비해 분해능이 우수한 자외선 이미징 장치를 구현할 수 있다.Since the size of the nanophosphor according to the embodiment does not exceed 60 nm, it is easy to fabricate a pattern having a fine pixel size, so that an ultraviolet imaging device having superior resolution compared to the prior art can be realized.
도 1은 일 실시예에 따라 형성된 코어-쉘 구조의 나노형광체의 투과전자현미경 사진이다.
도 2는 일 실시예에 따라 형성된 코어 나노형광체의 투과전자현미경 사진을 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따라 형성된 코어 나노형광체의 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따라 형성된 코어 나노형광체의 PL 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따라 형성된 코어-쉘 구조의 나노형광체의 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따라 형성된 코어-쉘 구조의 나노형광체의 PL 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따라 제조된 코어-쉘 구조를 갖는 나노형광체 용액의 사진 및 자외선 램프(λ=254 nm) 여기 하에서의 발광 사진을 나타낸다.1 is a transmission electron micrograph of a nanophosphor having a core-shell structure formed according to an exemplary embodiment.
2 shows a transmission electron micrograph of a core nanophosphor formed according to an exemplary embodiment.
3 is a graph illustrating an X-ray diffraction pattern of a core nanophosphor formed according to an exemplary embodiment.
4 is a graph illustrating a PL emission spectrum of a core nanophosphor formed according to an exemplary embodiment.
5 is a graph illustrating an X-ray diffraction pattern of a nanophosphor having a core-shell structure formed according to an exemplary embodiment.
6 is a graph illustrating a PL emission spectrum of a nanophosphor having a core-shell structure formed according to an exemplary embodiment.
7 shows a photograph of a nanophosphor solution having a core-shell structure prepared according to an embodiment and a photograph of emission under ultraviolet lamp (λ=254 nm) excitation.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the scope of the claims is not limited or limited by the embodiments.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.The terms used in this specification have been selected as currently widely used general terms as possible while considering their functions, but may vary depending on the intention or custom of a person skilled in the art or the emergence of new technology. In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in the description of the corresponding specification. Therefore, it is intended to clarify that the terms used in this specification should be interpreted based on the actual meaning of the terms and the contents of the entire specification, rather than the simple names of terms.
이하, 도면들을 참조하여 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments will be described in more detail with reference to the drawings.
도 1은 일 실시예에 따라 제조된 코어-쉘 구조를 갖는 나노형광체의 투과전자현미경 사진을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 각각의 나노형광체는 나노미터 단위의 크기를 가지므로 이미징 장치를 제작할 때 미세한 크기로 패턴화가 가능하다.1 shows a transmission electron micrograph of a nanophosphor having a core-shell structure prepared according to an embodiment. As illustrated, since each nanophosphor has a size of nanometers, it is possible to pattern it in a fine size when manufacturing an imaging device.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노형광체는, NaLuF4 나노결정을 모체로 하여, 자외선을 흡수하기 위한 세륨(Ce)을 부활제로 도핑하고, 자외선으로부터 흡수된 에너지를 활성제로 전달하기 위한 가돌리늄(Gd)을 공부활제로 도핑하고, 상기 흡수된 에너지를 전달받아 발광하기 위한 유로퓸(Eu)을 활성제로 도핑함으로써 합성될 수 있다.The nanophosphor according to an embodiment of the present invention has a NaLuF 4 nanocrystal as a matrix, doped with cerium (Ce) for absorbing ultraviolet rays as an activator, and gadolinium (Gd) for transferring energy absorbed from ultraviolet rays to the activator ) can be synthesized by doping with a co-activator, and doping europium (Eu) for emitting light by receiving the absorbed energy with an activator.
실시예에 따르면, 육방정계 NaLuF4 나노결정은 50 nm 이내의 크기를 갖는다. 란탄족 3가 이온이 도핑된 나노형광체는 모체의 종류와 관계없이 도핑된 란탄족 원소에 따라 고유한 색상의 가시광을 발광한다. 이는 나노형광체의 발광이 도핑되는 란탄족 3가 이온의 4f 전자의 천이에 의해 일어나기 때문이다. 이와 같은 원리를 이용하면 입자의 크기를 조절하면서도 도핑 원소에 따라 원하는 색상을 발광하는 형광체를 제조할 수 있다.According to an embodiment, the hexagonal NaLuF 4 nanocrystals have a size within 50 nm. The nanophosphor doped with the lanthanide trivalent ion emits visible light of a unique color according to the doped lanthanide element regardless of the type of the parent. This is because the light emission of the nanophosphor is caused by the transition of 4f electrons of the doped lanthanide trivalent ion. Using this principle, it is possible to manufacture a phosphor that emits a desired color according to a doping element while controlling the particle size.
그러나 기존의 형광체 중 나노 크기를 갖는 염료나 양자점 물질은 자외선을 선택적으로 흡수하지 못하고 넓은 파장 영역대의 자외선을 흡수하기 때문에 효율이 떨어지는 단점이 있었다. 반면에, 파장의 선택적인 흡수가 가능한 기존 형광체의 경우 마이크로미터 영역의 크기를 가지고 있어 작은 픽셀 크기로 패턴화하는 것이 어려운 단점이 존재했다.However, among the existing phosphors, dyes or quantum dot materials having a nano size do not selectively absorb ultraviolet rays but absorb ultraviolet rays in a wide wavelength range, so there is a disadvantage in that efficiency is lowered. On the other hand, existing phosphors capable of selectively absorbing wavelengths have a size of a micrometer region, so it is difficult to pattern them with a small pixel size.
본 발명에서는 50 nm 이하의 크기를 갖는 NaLuF4 결정을 형광체의 코어로 이용하고 후술하는 부활제를 적절히 도핑함으로써, 나노 크기를 가지면서도 자외선의 선택적 흡수가 가능한 나노형광체를 제공한다.In the present invention, by using NaLuF 4 crystal having a size of 50 nm or less as a core of the phosphor and appropriately doping with an activator to be described later, a nano phosphor capable of selectively absorbing ultraviolet light while having a nano size is provided.
세륨(Ce)은 나노형광체가 특정 파장의 자외선을 흡수할 수 있도록 부활제(賦活劑)로서 도핑된다. NaLuF4 입자에 세륨이 도포될 경우 약 250 nm 근처의 자외선(UV-C)을 흡수하게 된다.Cerium (Ce) is doped as an activator so that the nanophosphor can absorb ultraviolet light of a specific wavelength. When cerium is applied to NaLuF 4 particles, it absorbs ultraviolet (UV-C) near 250 nm.
유로퓸(Eu)은 활성제(活性劑)로서 도핑되며 상기 흡수된 자외선 에너지를 전달 받아서 특정 색상의 가시광을 발광하는 역할을 수행한다. 실시예에서, 유로퓸(Eu)은 250 nm 부근의 자외선으로부터 에너지를 전달받아 적색의 가시광(약 620 내지 750 nm 파장대역의 광)을 발광한다.Europium (Eu) is doped as an activator and serves to emit visible light of a specific color by receiving the absorbed ultraviolet energy. In an embodiment, europium (Eu) emits red visible light (light in a wavelength band of about 620 to 750 nm) by receiving energy from ultraviolet rays near 250 nm.
가돌리늄(Gd)은 공부활제(共賦活劑)로서 도핑되며, 상기 부활제(Ce)가 흡수한 자외선 에너지를 활성제(Eu)로 전달하는 역할을 수행한다.Gadolinium (Gd) is doped as a co-activator (共賦活劑), and serves to transfer the ultraviolet energy absorbed by the activator (Ce) to the activator (Eu).
본 발명의 고유한 효과를 달성하기 위해, 상기 실시예에 따라 제조된 나노형광체를 코어로 하고, 코어 주위에 형성된 NaLuF4 결정질 쉘을 더 포함시켜 코어-쉘 구조를 갖는 나노형광체를 제조할 수 있다. 코어-쉘 구조를 갖는 나노형광체는 기존의 형광체 구조에 비해 더 선명하게 발광할 수 있어 자외선 이미징 장치에 적용되기에 적합하다.In order to achieve the intrinsic effect of the present invention, a nanophosphor having a core-shell structure can be prepared by using the nanophosphor prepared according to the above embodiment as a core, and further including a NaLuF 4 crystalline shell formed around the core. . Nanophosphors having a core-shell structure can emit light more clearly than conventional phosphors, so they are suitable for application to ultraviolet imaging devices.
실시예에 따라 제조된 코어-쉘 구조의 나노형광체는, 그 전체 크기가 60 nm를 초과하지 않으므로 미세한 픽셀 크기를 갖는 패턴으로 제작이 용이하다. 따라서 이를 이용하면 기존에 비해 분해능이 우수한 자외선 이미징 장치를 제조할 수 있다.Since the nanophosphor having a core-shell structure manufactured according to the embodiment does not exceed 60 nm in total size, it is easy to form a pattern having a fine pixel size. Therefore, using this, it is possible to manufacture an ultraviolet imaging device having superior resolution compared to the conventional one.
이하에서는 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 후술하는 실시예들은 코어 나노형광체 및 코어-쉘 구조의 나노형광체를 합성하기 위한 바람직한 방법들을 예시적으로 기술한 것으로서, 본 발명의 기술사상과 청구하고자 하는 내용은 이에 한정되지 아니한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples. The embodiments to be described below exemplarily describe preferred methods for synthesizing a core nanophosphor and a nanophosphor having a core-shell structure, and the technical spirit and claims of the present invention are not limited thereto.
<실시예 1> NaLu<Example 1> NaLu 0.350.35 FF 44 :Ce:Ce 0.10.1 ,Gd,Gd 0.50.5 ,Eu,Eu 0.050.05 코어 나노형광체 합성 방법Core nanophosphor synthesis method
제1 혼합용액 제조단계: 염화루테튬 수화물(LuCl3.6H2O) 0.35 mmol, 염화가돌리늄 수화물(GdCl3.6H2O) 0.5 mmol, 염화세륨 수화물(CeCl3.7H2O) 0.1 mmol, 및 염화유로퓸 수화물(EuCl3.6H2O) 0.05 mmol을, 용매인 6 mL의 올레익산과 15 mL의 1-옥타디센과 혼합한 후, 150℃로 가열하여 란탄족 착화합물을 포함하는 용액(1)을 형성한다. First mixed solution preparation step: 0.35 mmol of lutetium chloride hydrate ( LuCl 3.6H 2 O), 0.5 mmol of gadolinium chloride hydrate (GdCl 3.6H 2 O), 0.1 mmol of cerium chloride hydrate (CeCl 3.7H 2 O), and 0.05 mmol of europium chloride hydrate (EuCl 3 .6H 2 O) was mixed with 6 mL of oleic acid as a solvent and 15 mL of 1-octadicene, and then heated to 150° C. to a solution containing a lanthanide complex (1) to form
반응용액 제조단계: 상기 란탄족 착화합물을 포함하는 용액(1)에, 2.5 mmol의 수산화나트륨 및 4 mmol의 불화암모늄을 메탄올과 혼합한 용액(2)과 혼합하여 반응용액(3)을 제조한다. Reaction solution preparation step: A reaction solution (3) is prepared by mixing the solution (1) containing the lanthanide complex with a solution (2) in which 2.5 mmol of sodium hydroxide and 4 mmol of ammonium fluoride are mixed with methanol.
나노입자 형성단계: 상기 반응용액(3)에서 메탄올을 제거하고, 아르곤 가스 분위기 하에서 320℃의 온도로 60분 동안 열처리한다. 상기 열처리가 진행되는 동안, 베타(β)-NaLu0.35F4:Ce0.1,Gd0.5,Eu0.05 나노입자가 형성된다. 상기 형성된 나노입자를 에탄올로 세척한 후 헥산, 톨루엔, 클로로포름 등의 무극성 용매에 분산하여 보관한다. Nanoparticle formation step: Remove methanol from the reaction solution (3), and heat treatment at a temperature of 320° C. for 60 minutes under an argon gas atmosphere. During the heat treatment, beta (β)-NaLu 0.35 F 4 :Ce 0.1 , Gd 0.5 , Eu 0.05 nanoparticles are formed. After washing the formed nanoparticles with ethanol, they are dispersed and stored in a non-polar solvent such as hexane, toluene, and chloroform.
도 2는 일 실시예에 따라 형성된 코어 나노형광체의 투과전자현미경 사진을 나타낸다.2 shows a transmission electron micrograph of a core nanophosphor formed according to an exemplary embodiment.
도 3은 일 실시예에 따라 형성된 코어 나노형광체의 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다. 레퍼런스(reference)인 육방정계 NaGd0.75Lu0.25F4 상과 일치함을 알 수 있고, 불순물 없는 육방정계 상이 합성됨을 알 수 있다. 3 is a graph illustrating an X-ray diffraction pattern of a core nanophosphor formed according to an exemplary embodiment. It can be seen that the hexagonal NaGd 0.75 Lu 0.25 F 4 phase, which is a reference, is consistent with the hexagonal phase, and a hexagonal phase without impurities is synthesized.
도 4는 일 실시예에 따라 형성된 코어 나노형광체의 PL 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 약 593 nm와 617 nm를 중심으로 적색 발광 피크(peak)가 관찰된다. 4 is a graph illustrating a PL emission spectrum of a core nanophosphor formed according to an exemplary embodiment. Red emission peaks are observed around 593 nm and 617 nm.
<실시예 2> NaLu<Example 2> NaLu 0.350.35 FF 44 :Ce:Ce 0.10.1 ,Gd,Gd 0.50.5 ,Eu,Eu 0.050.05 /NaLuF/NaLuF 44 코어-쉘 구조의 나노형광체 합성 방법 Method for synthesizing core-shell structured nanophosphor
제1 혼합용액 제조단계: 염화루테튬 수화물(LuCl3.6H2O) 1 mmol을 용매인 6 mL의 올레익산과 15 mL의 1-옥타디센과 혼합한 후, 150℃로 가열하여 란탄족 착화합물을 포함하는 용액(4)을 형성한다. First mixed solution preparation step: 1 mmol of lutetium chloride hydrate (LuCl 3 .6H 2 O) was mixed with 6 mL of oleic acid as a solvent and 15 mL of 1-octadicene, and then heated to 150° C. to obtain a lanthanide complex. A solution (4) comprising
반응용액 제조단계: 상기 란탄족 착화합물을 포함하는 용액(4)에, 실시예 1에 따라 합성된 코어 나노형광체 용액 10 mL를 주입한 후, 2.5 mmol의 수산화나트륨과 4 mmol의 불화암모늄을 메탄올과 혼합한 용액(5)과 혼합하여 반응용액(6)을 제조한다. Reaction solution preparation step: 10 mL of the core nanophosphor solution synthesized according to Example 1 was injected into the solution (4) containing the lanthanide complex compound, and 2.5 mmol of sodium hydroxide and 4 mmol of ammonium fluoride were mixed with methanol and A reaction solution (6) is prepared by mixing with the mixed solution (5).
나노입자 형성단계: 상기 반응용액(6)에서 메탄올을 제거하고, 아르곤 가스 분위기 하에서 320℃의 온도로 60분 동안 열처리한다. 상기 열처리가 진행되는 동안, 베타(β)- NaLu0.35F4:Ce0.1,Gd0.5,Eu0.05/NaLuF4 나노입자가 형성된다. 상기 형성된 코어/쉘 나노입자를 에탄올로 세척한 후 헥산, 톨루엔, 클로로포름 등의 무극성 용매에 분산하여 보관한다. Nanoparticle formation step: Remove methanol from the reaction solution (6), and heat treatment for 60 minutes at a temperature of 320 °C in an argon gas atmosphere. During the heat treatment, beta (β)- NaLu 0.35 F 4 :Ce 0.1 , Gd 0.5 , Eu 0.05 /NaLuF 4 nanoparticles are formed. After washing the formed core/shell nanoparticles with ethanol, they are dispersed and stored in a non-polar solvent such as hexane, toluene, or chloroform.
일 실시예에 따라 형성된 코어-쉘 구조의 나노형광체의 투과전자현미경 사진을 나타내는 도 1을 도 2와 비교하면, 쉘이 형성되며 입자의 크기가 증가함을 알 수 있다.Comparing FIG. 1 showing a transmission electron micrograph of a nanophosphor having a core-shell structure formed according to an embodiment with FIG. 2 , it can be seen that the shell is formed and the size of the particles is increased.
도 5는 일 실시예에 따라 형성된 코어-쉘 구조의 나노형광체의 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다. 레퍼런스(reference)인 NaGd0.75Lu0.25F4 상과 NaLuF4 상 사이에 피크(peak)가 형성되어, 불순물 없이 코어 주위로 육방정계 쉘이 잘 형성되었음을 확인할 수 있다.5 is a graph illustrating an X-ray diffraction pattern of a nanophosphor having a core-shell structure formed according to an exemplary embodiment. A peak was formed between the NaGd 0.75 Lu 0.25 F 4 phase and the NaLuF 4 phase as a reference, confirming that the hexagonal shell was well formed around the core without impurities.
도 6은 일 실시예에 따라 형성된 코어-쉘 구조의 나노형광체의 PL 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 쉘 형성을 통해 강한 발광 피크(peak)가 관찰된다. 약 593 nm와 617 nm 중심의 적색 발광 피크 이외에 625 nm를 중심으로 추가적인 피크가 관찰된다.6 is a graph illustrating a PL emission spectrum of a nanophosphor having a core-shell structure formed according to an exemplary embodiment. A strong emission peak is observed through the shell formation. In addition to the red emission peaks centered at about 593 nm and 617 nm, an additional peak centered at 625 nm is observed.
도 7은 일 실시예에 따라 제조된 코어-쉘 구조를 갖는 나노형광체 용액의 사진 및 자외선 램프(=254 nm) 여기 하에서의 발광 사진을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 투명한 용액으로부터 강한 적색 발광이 관찰됨을 알 수 있다.7 is a photograph of a nanophosphor solution having a core-shell structure and an ultraviolet lamp ( =254 nm) shows the photoluminescence under excitation. As shown, it can be seen that strong red emission is observed from the transparent solution.
일 실시예에 따른 나노형광체는 특정 파장대역의 자외선을 선택적으로 흡수하여 다른 색상으로 발광하기 위한 형광물질을 더 포함할 수 있다. 최근 다양한 분야에서 자외선 이미징 장치가 활용되고 있는데, 이를 위해서는 단색이 아닌 보다 풍부한 색상을 구현할 필요가 있다.The nanophosphor according to an embodiment may further include a fluorescent material for selectively absorbing ultraviolet rays of a specific wavelength band to emit light in different colors. Recently, ultraviolet imaging devices have been used in various fields, and for this purpose, it is necessary to implement a richer color than a single color.
예를 들어, 활성제로 유로퓸(Eu)이 아닌 터븀(Tb)이 도핑된 경우 적색이 아닌 녹색 가시광을 발광하고, 디스프로슘(Dy)이 도핑된 경우 청녹색 가시광을 발광한다. 이외에도 란탄족 원소의 종류 및 도핑 비율을 조정함으로써 다양한 발광색을 구현할 수 있다.For example, when terbium (Tb) rather than europium (Eu) is doped as an activator, green visible light is emitted instead of red, and when dysprosium (Dy) is doped, blue-green visible light is emitted. In addition, various emission colors may be realized by adjusting the type and doping ratio of the lanthanide element.
일 실시예에 따른 나노형광체는 250 nm 파장대역의 자외선이 아닌 다른 파장대역의 자외선을 선택적으로 흡수하여 발광하기 위한 다른 형광물질들을 더 포함할 수 있다. 이에 따르면, UV-C (100 ~ 280 nm)가 아닌 UV-A (315 ~ 400 nm) 또는 UV-B (280 ~ 315 nm) 자외선을 선택적으로 흡수하여 발광할 수 있다. The nanophosphor according to an exemplary embodiment may further include other fluorescent materials for selectively absorbing and emitting ultraviolet light of a wavelength band other than the ultraviolet light of a wavelength band of 250 nm. According to this, it is possible to emit light by selectively absorbing UV-A (315 to 400 nm) or UV-B (280 to 315 nm) ultraviolet rays instead of UV-C (100 to 280 nm).
다파장 자외선 이미징 장치(예를 들어, 단파장의 자외선이 아닌 다파장의 자외선을 피사체에 출력하고 반사된 자외선을 감지하여 가시광으로 출력하는 자외선 이미징 장치)를 구현하고자 하는 경우, 다양한 파장대역의 자외선을 흡수하여 발광할 수 있도록 나노형광체를 제조하여 적용할 수 있다.In the case of implementing a multi-wavelength ultraviolet imaging device (for example, an ultraviolet imaging device that outputs multi-wavelength ultraviolet rays instead of short-wavelength ultraviolet rays to a subject, detects reflected ultraviolet rays and outputs them as visible light), It is possible to prepare and apply a nanophosphor to absorb and emit light.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 코어 나노형광체 또는 코어-쉘 구조의 나노형광체를 포함하는 자외선 이미징 장치가 제공될 수 있다.In one embodiment of the present invention, an ultraviolet imaging apparatus including the core nanophosphor or the nanophosphor having a core-shell structure may be provided.
자외선 이미징 장치는, 예를 들어 단파장 또는 다파장 자외선을 출력하는 자외광원부, 대상물에 의해 반사된 빛 중에서 적외선 및 가시광선을 차단하고 자외선만을 선택적으로 투과시키는 자외선 투과필터, 상기 투과된 자외선을 흡수하여 특정 색상의 가시광을 발광하는 파장하향변환필터, 상기 가시광을 감지하여 이미지로 저장 및 출력하는 이미징 모듈을 구비할 수 있다. 다만 이는 하나의 예시적인 구성일 뿐이며, 파장하향필터를 제외한 나머지 구성요소는 생략되거나 더 추가될 수 있다.The ultraviolet imaging device includes, for example, an ultraviolet light source unit that outputs short-wavelength or multi-wavelength ultraviolet light, an ultraviolet light transmission filter that blocks infrared and visible light among the light reflected by an object and selectively transmits only ultraviolet light, and absorbs the transmitted ultraviolet light It may include a wavelength down-conversion filter emitting visible light of a specific color, and an imaging module sensing the visible light and storing and outputting the image as an image. However, this is only an exemplary configuration, and components other than the wavelength down filter may be omitted or further added.
파장하향변환필터는 자외선을 흡수하여 특정 색상의 가시광을 발광하는 구성요소인데, 전술한 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 나노형광체가 적용될 수 있다. 예를 들어, 변환필터는 각각 적색, 녹색, 청색의 가시광을 발광하는 픽셀 구조로 이루어질 수 있는데, 적색 발광 픽셀에는 전술한 NaLuF4: Ce, Gd, Eu 구조의 나노형광체가 포함될 수 있고, 녹색 및 청색 발광 픽셀에는 다른 형광물질이 도핑된 나노형광체가 포함될 수 있다.The wavelength downconversion filter is a component that absorbs ultraviolet light and emits visible light of a specific color. For example, the conversion filter may have a pixel structure emitting visible light of red, green, and blue, respectively, and the red light emitting pixel may include the above-described NaLuF 4 : Ce, Gd, Eu structure of the nanophosphor, green and The blue light emitting pixel may include a nanophosphor doped with another phosphor.
이상에서 설명한 자외선 이미징 장치용 나노형광체는, 특정 파장대역의 자외선만을 선택적으로 흡수하여 특정 색상의 가시광 발광을 나타내는데, 다른 형광물질과 조합하여 다양한 색상을 구현하는 것이 가능하다. 또한 코어-쉘 구조로 형성되어 자외선-가시광선 변환효율이 우수하므로 자외선 이미징 장치에 이용하기에 적합하다.The above-described nanophosphor for an ultraviolet imaging device selectively absorbs only ultraviolet light in a specific wavelength band to emit visible light of a specific color, and it is possible to realize various colors by combining with other fluorescent materials. In addition, since it is formed in a core-shell structure and has excellent ultraviolet-visible light conversion efficiency, it is suitable for use in an ultraviolet imaging device.
실시예에 따른 나노형광체의 크기는 60 nm를 초과하지 않기 때문에 미세한 픽셀 크기를 갖는 패턴으로 제작이 용이하여, 종래의 기술에 비해 분해능이 우수한 자외선 이미징 장치를 구현할 수 있다.Since the size of the nanophosphor according to the embodiment does not exceed 60 nm, it is easy to fabricate a pattern having a fine pixel size, so that an ultraviolet imaging device having superior resolution compared to the prior art can be realized.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below you will understand
Claims (9)
NaLuF4 나노결정에, 자외선을 흡수하기 위한 세륨(Ce)을 부활제로 하고,
자외선으로부터 흡수된 에너지를 활성제로 전달하기 위한 가돌리늄(Gd)을 공부활제로 하고,
상기 흡수된 에너지를 전달받아 발광하기 위한 유로퓸(Eu)을 활성제로 도핑하여 합성되며,
상기 나노형광체의 발광 강도를 증대시키기 위해, 상기 나노형광체를 코어로 하고, 주위에 형성된 NaLuF4 결정질 쉘을 더 포함하여 코어-쉘 구조를 갖고, 상기 코어-쉘 구조를 갖는 나노형광체의 크기는 60 nm를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는, 자외선 이미징 장치용 나노형광체.
A nanophosphor for an ultraviolet imaging device, comprising:
In NaLuF4 nanocrystals, cerium (Ce) for absorbing ultraviolet light is used as an activator,
Using gadolinium (Gd) as a co-activator to transfer the energy absorbed from ultraviolet light to the activator,
It is synthesized by doping europium (Eu) with an activator to receive the absorbed energy and emit light,
In order to increase the luminescence intensity of the nanophosphor, the nanophosphor has a core-shell structure, and the size of the nanophosphor having the core-shell structure is 60 nm by further including a NaLuF4 crystalline shell formed around the nanophosphor. Nanophosphor for ultraviolet imaging device, characterized in that it does not exceed.
상기 나노형광체는 특정 파장대역의 자외선을 선택적으로 흡수하여 특정 색상의 가시광을 발광하는 것을 특징으로 하는, 자외선 이미징 장치용 나노형광체.
The method of claim 1,
The nanophosphor is a nanophosphor for an ultraviolet imaging device, characterized in that it emits visible light of a specific color by selectively absorbing ultraviolet light in a specific wavelength band.
상기 자외선은 230 내지 250 nm의 파장대역을 가지고, 상기 가시광은 적색을 나타내는 것을 특징으로 하는, 자외선 이미징 장치용 나노형광체.
5. The method of claim 4,
The ultraviolet light has a wavelength band of 230 to 250 nm, and the visible light is red, characterized in that it represents a UV imaging device nano-phosphor.
상기 나노형광체는, 상기 자외선과 상이한 파장대역을 갖는 자외선을 선택적으로 흡수하여 발광하기 위한 형광물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자외선 이미징 장치용 나노형광체.
5. The method of claim 4,
The nanophosphor, characterized in that it further comprises a fluorescent material for emitting light by selectively absorbing ultraviolet rays having a wavelength band different from the ultraviolet rays.
상기 자외선 이미징 장치는,
단파장 또는 다파장 자외선을 출력하는 자외광원부;
대상물에 의해 반사된 빛 중에서 적외선 및 가시광선을 차단하고 자외선만을 선택적으로 투과시키는 자외선 투과필터;
상기 투과된 자외선을 흡수하여 특정 색상의 가시광을 발광하는 파장하향변환필터; 및
상기 가시광을 감지하여 이미지로 저장 및 출력하는 이미징 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자외선 이미징 장치.
An ultraviolet imaging device comprising the nanophosphor according to claim 1, comprising:
The ultraviolet imaging device,
An ultraviolet light source unit for outputting short-wavelength or multi-wavelength ultraviolet;
an ultraviolet transmitting filter that blocks infrared and visible light among the light reflected by the object and selectively transmits only ultraviolet light;
a wavelength down-conversion filter that absorbs the transmitted ultraviolet light and emits visible light of a specific color; and
and an imaging module that detects the visible light, stores it as an image, and outputs the image.
염화루테튬 수화물(LuCl3.6H2O), 염화가돌리늄 수화물(GdCl3.6H2O), 염화세륨 수화물(CeCl3.7H2O), 및 염화유로퓸 수화물(EuCl3.6H2O)을, 용매인 올레익산과 1-옥타디센과 혼합한 후 가열하여 란탄족 착화합물 용액을 형성하는 단계;
상기 란탄족 착화합물 용액을, 수산화나트륨, 불화암모늄 및 메탄올 혼합 용액과 혼합하여 반응용액을 형성하는 단계; 및
상기 반응용액에서 메탄올을 제거한 후 열처리하여 베타(β)-NaLuF4:Ce,Gd,Eu 나노입자를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 나노형광체의 발광 강도를 증대시키기 위해, 상기 나노형광체를 코어로 하고, 주위에 형성된 NaLuF4 결정질 쉘을 더 포함하여 코어-쉘 구조를 갖고, 상기 코어-쉘 구조를 갖는 나노형광체의 크기는 60 nm를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는, 자외선 이미징 장치용 나노형광체의 합성 방법.
A method of synthesizing a nanophosphor for an ultraviolet imaging device, comprising:
Lutetium chloride hydrate (LuCl3.6H2O), gadolinium chloride hydrate (GdCl3.6H2O), cerium chloride hydrate (CeCl3.7H2O), and europium chloride hydrate (EuCl3.6H2O) were mixed with oleic acid as a solvent and 1-octadicene. and then heating to form a lanthanide complex compound solution;
forming a reaction solution by mixing the lanthanide complex compound solution with a mixed solution of sodium hydroxide, ammonium fluoride and methanol; and
After removing methanol from the reaction solution, heat treatment to form beta (β)-NaLuF4:Ce,Gd,Eu nanoparticles,
In order to increase the luminescence intensity of the nanophosphor, the nanophosphor has a core-shell structure, and the size of the nanophosphor having the core-shell structure is 60 nm by further including a NaLuF4 crystalline shell formed around the nanophosphor. A method of synthesizing a nano-phosphor for an ultraviolet imaging device, characterized in that it does not exceed.
염화루테튬 수화물(LuCl3.6H2O)을 용매인 올레익산과 1-옥타디센과 혼합한 후 가열하여 제2 란탄족 착화합물 용액을 형성하는 단계;
상기 제2 란탄족 착화합물 용액에 상기 베타(β)-NaLuF4:Ce,Gd,Eu 나노입자를 포함하는 용액을 주입한 후 수산화나트륨, 불화암모늄 및 메탄올 혼합 용액과 혼합하여 제2 반응용액을 형성하는 단계; 및
상기 제2 반응용액에서 메탄올을 제거한 후 열처리하여 코어-쉘 구조의 나노형광체를 합성하는 단계를 더 포함하는, 자외선 이미징 장치용 나노형광체의 합성 방법.9. The method of claim 8,
forming a second lanthanide complex compound solution by mixing lutetium chloride hydrate (LuCl3.6H2O) with oleic acid as a solvent and 1-octadicene, followed by heating;
A solution containing the beta (β)-NaLuF4:Ce,Gd,Eu nanoparticles is injected into the second lanthanide complex compound solution, and then mixed with a mixed solution of sodium hydroxide, ammonium fluoride and methanol to form a second reaction solution step; and
The method for synthesizing a nanophosphor for an ultraviolet imaging device, further comprising the step of synthesizing a nanophosphor having a core-shell structure by heat-treating the second reaction solution after removing methanol.
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |