KR20090046532A - 청색 형광체의 제조방법, 이에 의하여 제조된 청색 형광체,및 상기 형광체로부터 형성된 형광막을 채용한 평판 표시장치 - Google Patents

청색 형광체의 제조방법, 이에 의하여 제조된 청색 형광체,및 상기 형광체로부터 형성된 형광막을 채용한 평판 표시장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 a) 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg) 전구체 물질로서 적어도 하나가 염산염인 것을 조건으로 하여 각각 질산염, 염산염, 및 초산염 중에서 선택된 하나; 규소(Si)의 전구체 물질로서 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 및 나노 미터 크기의 실리카 분말 중에서 선택된 하나 이상; 및 활성 성분으로서 유로피움(Eu);을 증류수에 용해시켜 전구체 용액을 형성하는 단계; b) 상기 전구체 용액을 분무액적 발생장치를 이용하여 0.1 ~ 100㎛ 직경의 액적을 발생시키는 단계; c) 상기 발생된 액적을 건조 및 열분해 과정을 거쳐 Ca1 - xMgSi2O6:Eux(0 ≤ x ≤ 2)로 표시되는 형광체 분말을 얻는 단계; 및 d) 상기 형광체 분말을 산화시킨 후 수소/질소 기체 분위기하에서 열처리하여 최종 형광체 분말을 제조하는 단계;를 포함하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 분무열분해법에 의하여 전구체 물질들을 적절한 조합하여 형광체의 발광특성이 개선된 구형 실리케이트계 형광체를 제조할 수 있다. 따라서, 이러한 구형의 청색 형광체는 자외선 영역 하에서 발광특성 및 저전압 전계 발광 휘도를 향상시킬 수 있어 차세대 플라즈마 디스플레이 패널(PDP) 및 전자 방출 소자(FED)에 적용가능하다.

Description

청색 형광체의 제조방법, 이에 의하여 제조된 청색 형광체, 및 상기 형광체로부터 형성된 형광막을 채용한 평판 표시 장치{Preparation method of blue phosphor, the blue phosphor prepared by the method, and Flat display device employing the blue phosphor layer}
본 발명은 구형 실리케이트 청색 형광체의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 청색 형광체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광발광 (Photoluminescence) 및 저전압 음극선 발광 (Cathodoluminescence) 특성이 우수한 산화물계 청색 형광체로서 구형의 형상을 가지면서 휘도 특성이 개선된 (Ca1 -x,Eux)MgSi2O6 형광체를 분무열분해 공정으로 제조하는 방법, 이에 의하여 제조된 청색 형광체, 및 상기 청색 형광체를 이용하여 제조된 형광막을 채용한 평판 표시 장치에 관한 것이다.
형광체는 외부로부터 빛 혹은 전자형태의 높은 에너지를 받아서 인간의 눈으로 볼 수 있는 가시광 영역의 빛을 내는 물질을 말하며, 이러한 형광체는 램프 나 디스플레이 제품의 질을 결정하는 핵심소재이다.　　진공자외선 빛을 활용하는 플라즈마 디스플레이 (Plasma Display Panel, 이하 'PDP'라 칭함)에 적용되기 위해서 는 광발광 특성이 우수해야 하며, 음극선 발광을 이용하는 전계 방출 디스플레이(Field Emission Displays, 이하 'FED'라 칭함)에 적용되기 위해서는 음극선 발광 특성이 우수해야 한다.　형광체는 PDP 및 FED의 밝기 및 수명에 직접적인 영향을 주며, 천연색을 구현을 위해 반드시 필요하다. 따라서 PDP 및 FED 의 성능개선에 필요한 핵심적인 재료로서 고휘도의 우수한 광발광 또는 음극선 발광 특성을 보이는 형광체 개발은 필수적이다.
현재, PDP용 청색 형광체로 사용되고 있는 물질은 BaMgAl10O17:Eu (이하 'BAM'이라 칭함)이다. FED의 경우 산화물계로 Y2SiO5:Ce 과 ZnGa2O4, 그리고 황화물계로 ZnS:Ag,Cl 이 대표적 청색 형광체로 이용된다. BAM의 경우 패널의 제조과정에서 가해지는 열처리에 의해 휘도의 저하 및 색좌표의 변화가 유발되며 장시간의 진공자외선 조사에 의해 안정하지 못하여 휘도 저하가 유발되어 PDP의 수명을 저하시키는 문제점이 있다. 이러한 BAM의 열화 및 VUV에 대한 수명 문제를 해결할 수 있는 새로운 조성의 형광체 개발은 차세대 PDP의 밝기 및 수명 향상에 크게 기여할 것이다.
FED는 구동전압에 따라 저전압 (1 kV 이하), 중전압 (1~3 kV), 및 고전압 (3 ~ 10 kV)으로 나눌 수 있다. FED는 기존의 음극선관 (Cathode Ray Tube, 이하 'CRT'라 칭함)에서와 같은 원리를 이용하나 그 구동 전압이 훨씬 낮기 때문에 기존의 CRT용 형광체를 그대로 사용할 수 없다. 특히 중전압 이하에서 우수한 발광특성을 가지는 형광체의 개발은 FED가 디스플레이 시장에서 경쟁력을 가지게 하는데 필 수적이다. 기존의 CRT용 형광체는 대부분이 황화물계이다. 이러한 황화합물계는 고속 전압에서 방출되는 전자에 직접적으로 노출되면 분해되어 내부 진공을 깨뜨리고, 내부를 오염시킬 수 있기 때문에 반드시 알루미늄 보호막이 필요하다. 이와 달리 산화물계 형광체의 경우 전자 충격에 안정적이며 수명이 길어 황화물계보다 유리한 점이 있어 관심이 높다.
디스플레이 기술의 발달은 형광체의 광화학적 특성뿐만 아니라 형상 및 크기와 같은 분말 특성의 개선을 요구한다.　　즉, 평판디스플레이가 점차적으로 고화질 및 고미세화 됨에 따라 미세한 크기로 구형의 형상을 가지는 형광체가 불규칙인 형상을 가지고 비교적 큰 입경을 가지는 형광체보다 유리하다. 따라서 이러한 형광체를 합성 및 발광 특성을 향상시키려는 노력이 계속되고 있다.
분무열분해 공정은 구형의 형광체 분말을 제조하는 가장 대표적인 기상합성법이다. 분무열분해 공정은 전구체 용액의 특성에 따라 형광체 분말의 형상 및 발광 특성이 다양하게 달라진다.　일반적으로 질산염 전구체를 물에 녹인 용액으로부터 제조한 형광체 분말은 속이 빈 구조의 다공성으로 제조되는데, 국내 공개특허 제2001-0002822호는 이러한 다공성 형상을 개선시켜 주기 위해 콜로이드 용액을 전구체 용액으로 사용하는 것을 개시하고 있다. 또한 국내 공개특허 제2002-0075058호는 시트르산과 에틸렌글리콜을 첨가하여 전구체 용액을 개질함으로써 내부가 충진된 구형의 분말을 얻는다는 것을 개시하고 있다.　　형광체의 형태뿐만 아니라 휘도를 개선하기 위해서 각 형광체 물질마다 적용가능한 용액기술이 달라지게 된다.
국내 등록특허 제10-0411176호는 비유기성 고분자 용액을 이용한 분무열분해법에 의해 제조되는 알루미네이트계 형광체를 개시하고 있다. 알루미네이트계 형광체는 입자 내부가 치밀하고, 열적 안정성이 높은 구형의 형상을 가질 뿐 아니라 분말입자들 간의 응집이 발생하지 않고, 대량 생산이 가능함을 개시하고 있다.　그러나, 이러한 알루미늄 고분자 용액법에 사용된 용액기술을 그대로 실리케이트계에 적용할 수 없다. 이는 알루미늄과 규소 전구체의 특성이 아주 다르기 때문이다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 분무열분해법을 위한 용액을 제조함에 있어 각 형광체 성분의 전구체를 달리 조합함으로써 발광특성이 우수한 형광체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 상기의 제조방법에 의하여 제조된 형광체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 상기의 제조방법에 의하여 제조된 형광체를 이용하여 제조된 형광막을 채용한 플라즈마 디스플레이 패널 및 전자 방출 소자를 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
a) 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg) 전구체 물질로서 적어도 하나가 염산염인 것을 조건으로 하여 각각 질산염, 염산염, 및 초산염 중에서 선택된 하나; 규소(Si)의 전구체 물질로서 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 및 나노 미터 크기의 실리카 분말 중에서 선택된 하나 이상; 및 활성 성분으로서 유로피움(Eu);을 증류수에 용해시켜 전구체 용액을 형성하는 단계;
b) 상기 전구체 용액을 분무액적 발생장치를 이용하여 0.1 ~ 100㎛ 직경의 액적을 발생시키는 단계;
c) 상기 발생된 액적을 건조 및 열분해 과정을 거쳐 화학식 1로 표시되는 형광체 분말을 얻는 단계; 및
d) 상기 형광체 분말을 산화시킨 후 수소/질소 기체 분위기하에서 열처리하여 최종 형광체 분말을 제조하는 단계;를 포함하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법을 제공한다:
Ca1 - xMgSi2O6:Eux
상기 식에서, 0 ≤ x ≤ 2이다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
a) 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg) 전구체 물질로서 염산염; 규소(Si)의 전구체 물질로서 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 및 나노 미터 크기의 실리카 분말 중에서 선택된 하나 이상; 및 활성 성분으로서 유로피움(Eu);을 증류수에 용해시켜 전구체 용액을 형성하는 단계;
b) 상기 전구체 용액을 분무액적 발생장치를 이용하여 0.1 ~ 100㎛ 직경의 액적을 발생시키는 단계;
c) 상기 발생된 액적을 건조 및 열분해 과정을 거쳐 화학식 1로 표시되는 형광체 분말을 얻는 단계; 및
d) 상기 형광체 분말을 산화시킨 후 수소/질소 기체 분위기하에서 열처리하여 최종 형광체 분말을 제조하는 단계;를 포함하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법을 제공한다:
[화학식 1]
Ca1 - xMgSi2O6:Eux
상기 식에서, 0 ≤ x ≤ 2이다.
또한, 상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
분무열분해법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 구형 실리케이트계 청색 형광체를 제공한다.
또한, 상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법에 따라 제조된 형광체를 이용하여 형성된 형광막을 구비하는 플라즈마 디스플레이 패널을 제공한다.
또한, 상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법에 따라 제조된 형광체를 이용하여 형성된 형광막을 구비하는 전자 방출 소자를 제공한다.
본 발명은, a) 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg) 전구체 물질로서 적어도 하나가 염산염인 것을 조건으로 하여 각각 질산염, 염산염, 및 초산염 중에서 선택된 하나; 규소(Si)의 전구체 물질로서 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 및 나노 미터 크기의 실리카 분말 중에서 선택된 하나 이상; 및 활성 성분으로서 유로피움(Eu);을 증류수에 용해시켜 전구체 용액을 형성하는 단계; b) 상기 전구체 용액을 분무액적 발생장치를 이용하여 0.1 ~ 100㎛ 직경의 액적을 발생시키는 단계; c) 상기 발생된 액적을 건조 및 열분해 과정을 거쳐 화학식 1로 표시되는 형광체 분말을 얻는 단계; 및 d) 상기 형광체 분말을 산화시킨 후 수소/질소 기체 분위기하에서 열처리하여 최종 형광체 분말을 제조하는 단계;를 포함하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법을 제공한다:
[화학식 1]
Ca1 - xMgSi2O6:Eux
상기 식에서, 0 ≤ x ≤ 2이다.
본 발명에서 사용된 분무열분해법은 액적을 발생시켜 고온의 전기로 내에서 건조와 열분해 공정을 거쳐 하나의 액적(液滴)으로부터 하나의 입자가 얻어지는 기상 공정이다. 그러므로, 출발 전구체 물질의 고유한 특성인 물질의 용해도, 분해속도, 건조특성, 결정화 특성 등의 다양한 변수들이 형광체의 특성에 많은 영향을 미친다.
본 발명은 분무열분해법을 이용하여 화학식 1의 형광체를 제조함에 있어, 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg) 및 규소(Si)의 전구체를 달리 사용하여 그 조합을 최적화함으로써, 기존 불규칙한 형태를 갖는 형광체 입자를 구형화할 수 있고, 동시에 광발광 및 전계발광 특성을 개선할 수 있다.
상기 화학식 1의 형광체를 제조하기 위하여, 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 규소(Si) 및 유로피움(Eu) 성분을 필요로 한다.
칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg)의 전구체 물질은 각각 질산염, 염산염, 및 초산염 중에서 선택된 하나를 이용할 수 있고, 이때 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg)의 전구체 물질 중 적어도 하나는 염산염이어야 한다. 예를 들어, 칼슘의 전구물질은 Ca(NO3)2·H2O, CaCl2·2H2O, 또는 Ca(CH3COO)2·H2O을 사용할 수 있고, 마그네슘의 전구물질은 Mg(NO3)2·H2O, MgCl2·H2O, 또는 Mg(C2H3O2)2·H2O을 사용할 수 있다.
만일, 칼슘 및 마그네슘의 전구체로 일반적인 질산염을 이용하고, 규소의 전구체로 TEOS를 이용한 분무용액으로부터 형광체를 제조하는 경우 열처리한 이후 응집이 심하여 구형의 형상을 가지지 못한다. 이것은 액적이 빠른 건조에 의해 축구공 모양의 입자로 형성되고, 고온의 열처리 과정에서 껍질이 붕괴되면서 구형의 형상을 잃고 입자 간의 응집이 발생되기 때문이다. 이러한 형상 변화는 칼슘 및 마그네슘의 전구체를 변화시킴으로써 건조 및 열분해 특성을 변화시켜줄 수 있다. 즉, 칼슘 및 마그네슘 중 어느 하나의 전구체로 염산염을 사용하고, Si의 전구체로 TEOS 및/또는 나노 크기의 실리카 분말을 이용하여 제조한 형광체 분말은 열처리 후에도 구형을 유지할 수 있다.
규소(Si)의 전구체 물질은 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS, Si(OC2H5)4) 및/또는 나노 미터 크기의 실리카 분말를 사용할 수 있다. 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 및/또는 나노 미터 크기를 소정의 비율로 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 나노 미터 크기의 실리카 분말은 흄드 실리카(fumed silica)인 것이 바람직하다.
유로피움(Eu)의 전구물질은 Eu2O3를 질산에 반응시켜 질산염으로 사용하거나 또는 Eu(NO3)3을 물에 녹여 사용할 수 있다. 사용되는 유로피움(Eu)의 함량은 칼슘(Ca) 원소에 대비 0.01 ~ 20 몰%에 해당하는 함량을 사용할 수 있고, 바람직하게는 0.1 ~ 5 몰%, 가장 바람직하게는 1 몰%을 사용할 수 있다.
우선 적정량의 증류수에 질산, 염산, 또는 초산을 희석시킨다. 이어서, 희석액에 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 및/또는 나노 미터 크기의 실리카 분말을 화학 양론비에 해당하는 함량만큼 녹여 혼합물을 제조한다. 상기 혼합물에 칼슘, 마그네슘, 그리고 유로피움 질산염 등을 혼합하고, 약 1시간 정도 교반하여 전구체 용액을 준비하였다.
상기 전구체 용액의 농도는 0.1 ~ 2 M인 것이 바람직하다. 전구체 용액의 농도가 0.1 M 미만인 경우에는 분말의 생산량이 적어 회수가 어렵고, 2 M를 초과하는 경우에는 용액의 분무가 어려워 바람직하지 못하다. 상기 준비된 전구체 용액을 초음파 분무장치에 넣고 1.5 내지 2.5MHz의 진동자를 이용하여 0.1 내지 100㎛ 정도의 미세한 액적을 발생시켰다. 발생된 액적들을 40 L/분의 공기를 운반기체로 하여 반응기에 통과시킴으로써 건조 및 열분해를 시켜 미세한 전구체 분말을 얻을 수 있다.
상기 반응기의 온도는 600 ~ 1,300℃인 것이 바람직하다. 상기 반응기의 온도가 600 ℃ 미만인 경우에는 반응물의 열분해가 완료되기 어려워 바람직하지 못하고, 1,300℃를 초과하는 경우에는 전구체 성분이 휘발되어 양론비를 맞추기 어려워 바람직하지 못하다.
최종 형광체를 제조하는 단계에서 900 내지 1,300℃에서 3 내지 6시간 동안 열처리하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도가 900℃ 미만인 경우에는 순수상의 분말 얻기가 어려워 바람직하지 못하고, 1,300℃를 초과하는 입자의 응집이 심하게 되어 구형의 분말을 얻기 어려워 바람직하지 못하다.
이렇게 얻어진 분말을 알루미나 용기에 담아 900℃의 공기 분위기 하에서 1시간 동안 열처리한 후, 수소가 1-10%이고, 질소가 90-99%인 수소/질소 혼합가스의 분위기에서 3 - 6시간 동안 환원 처리하여 최종적인 형광체 분말을 수득할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, a) 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg) 전구체 물질로서 염산염; 규소(Si)의 전구체 물질로서 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 및 나노 미터 크기의 실리카 분말 중에서 선택된 하나 이상; 및 활성 성분으로서 유로피움(Eu);을 증류수에 용해시켜 전구체 용액을 형성하는 단계; b) 상기 전구체 용액을 분무액적 발생장치를 이용하여 0.1 ~ 100㎛ 직경의 액적을 발생시키는 단계; c) 상기 발생된 액적을 건조 및 열분해 과정을 거쳐 화학식 1로 표시되는 형광체 분말을 얻는 단계; 및 d) 상기 형광체 분말을 산화시킨 후 수소/질소 기체 분위기하에서 열처리하여 최종 형광체 분말을 제조하는 단계;를 포함하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기의 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체 제조방법에 의하여 제조된 형광체를 이용하여 형성된 형광막 을 구비한 플라즈마 디스플레이 패널 및 전자 방출 소자를 제공한다.
본 발명에 따르면, 분무열분해법에 의하여 전구체 물질들을 적절히 조합하여 형광체의 발광특성이 개선된 구형 실리케이트계 형광체를 제조할 수 있다. 또한, 나노미터 크기의 실리카 분말을 사용한 콜로이드 용액의 농도에 따라 입자의 형태를 조절할 수 있으며, 속이 차고 구형의 형상을 유지하는 형광체를 제조할 수 있다. 따라서, 이러한 구형의 청색 형광체는 자외선 영역 하에서 발광특성이 우수하여 차세대 플라즈마 디스플레이 패널(PDP)에 이용할 수 있고, 저전압 전계 발광 휘도가 개선되어 전자 방출 소자(FED)에 적용가능하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확히 표현하기 위한 목적으로 기재되는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1 내지 실시예 5
Ca 및 Mg 전구체 변화
실시예 1 내지 실시예 5에 따른 칼슘 마그네슘 실리케이트 형광체를 제조하기 위하여 하기 표 1과 같은 조합으로 전구체 용액을 제조하였다. 각각의 실시예에 따른 칼슘(Ca)의 전구물질로 Ca(NO3)2·H2O, CaCl2·2H2O, 또는 Ca(CH3COO)2·H2O을 사용하고, 마그네슘(Mg)의 전구물질로 Mg(NO3)2·H2O, MgCl2·H2O, 또는 Mg(C2H3O2)2·H2O을 사용하였다. 유로피움(Eu)의 전구물질로서 Eu2O3를 질산에 반응시켜 질산염으 로 사용하거나 Eu(NO3)3을 물에 녹여 사용할 수 있다. Eu의 함량은 Ca 원소에 대비 0.01 ~ 20 몰% 에 해당하는 함량을 사용할 수 있고, 바람직하게는 0.1 ~ 5 몰%를 사용할 수 있다. 규소(Si)의 전구물질로 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS, Si(OC2H5)4)을 사용하여 총 용액의 농도를 1M이 되게 제조하였다. 우선 적정량의 증류수에 질산을 희석시킨 후 TEOS를 화학 양론비에 해당하는 양만큼 혼합하여 녹이고, 칼슘과 마그네슘 그리고 유로피움 질산염을 혼합하고 약 1시간 정도 교반하여 전구체 용액을 준비하였다.
상기 준비된 전구체 용액을 초음파 분무장치에 넣고, 1.7MHz의 진동자를 이용하여 5㎛ 정도의 미세한 액적을 발생시켰다. 발생된 액적들을 40 리터/분의 공기를 운반기체로 하여 900℃의 반응기에 통과시킴으로써 건조 및 열분해를 시켜 미세한 전구체 분말을 얻었다. 이렇게 얻어진 분말을 알루미나 용기에 담아 900℃의 공기 분위기 하에서 1시간 동안 열처리한 후, 5 % 수소/질소 혼합가스를 사용하여 1250℃에서 5시간 동안 환원 처리하여 최종적으로 Ca1 - xMgSi2O6:Eux 형광체 분말을 수득하였다.
실시예 1 내지 실시예 5에 따른 전구체 용액의 성분은 하기와 같다:
Ca 전구체 Mg 전구체 Si 전구체
실시예 1 질산염 염산염 TEOS
실시예 2 염산염 질산염 TEOS
실시예 3 염산염 염산염 TEOS
실시예 4 염산염 초산염 TEOS
실시예 5 초산염 염산염 TEOS
실시예 6 내지 실시예 11
Si의 전구체 변화
실시예 6 내지 실시예 11은 Ca 및 Mg의 전구체를 염산염계로 하고, Si의 전구체를 나노미터 크기의 실리카(fumed silica)와 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS)를 혼합하여 사용하여 Ca1 - xMgSi2O6:Eux 형광체를 제조하였다. 전체적인 용액의 제조공정에 있어서, Ca 및 Mg의 전구체를 염산염계로 고정시키고, Si의 전구체를 10 - 20nm 크기의 흄드 실리카 입자와 TEOS를 혼합하여 사용한 것을 제외하고는 실시예 1 내지 실시예 5에 실시한 바와 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 실시예 6 내지 실시예 11에서의 TEOS와 흄드 실리카의 비는 표 2와 같다:
Ca 전구체 Mg 전구체 Si 전구체(몰 %)
실시예 6 염산염 염산염 90% TEOS + 10% 흄드 실리카
실시예 7 염산염 염산염 70% TEOS + 30% 흄드 실리카
실시예 8 염산염 염산염 50% TEOS + 50% 흄드 실리카
실시예 9 염산염 염산염 30% TEOS + 70% 흄드 실리카
실시예 10 염산염 염산염 10% TEOS + 90% 흄드 실리카
실시예 11 염산염 염산염 0% TEOS + 100% 흄드 실리카
실시예 12 내지 실시예 16
Ca와 Mg 전구체로서 염산염계를 사용하고, Si의 전구체로서 TEOS를 사용하여 전구체 용액을 실시예 1 내지 실시예 5의 방법과 동일한 방법으로 제조하였다. 이렇게 제조된 전구체 용액에 융제로서 염화암모늄을 총 전구체 용액 기준 0.1 몰% ~ 2 몰%까지 첨가하여 전구체 용액을 완성하였다. 실시예 12 내지 실시예 16에 포함된 융제의 함량은 하기 표 3과 같다:
염화암모늄(몰%)
실시예 12 0.1
실시예 13 0.5
실시예 14 1
실시예 15 1.5
실시예 16 2
비교예 1 및 비교예 2
비교예 1 및 비교예 2는 Ca와 Mg의 전구체를 각각 초산염 및 질산염만을 사용하고, Si의 전구체를 TEOS를 사용하여 분무용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1 내지 실시예 5에서 실시한 바와 동일한 방법으로 형광체 분말을 제조하였다. 비교예 1 및 비교예 2에 포함된 융제의 조성은 하기 표 4에 나타내었다.
비교예 3 내지 비교예 6
비교예 3 내지 비교예 6은 Ca와 Mg의 전구체 모두를 질산염을 사용하고, Si의 전구체를 흄드 실리카와 TEOS를 혼합하여 분무용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1 내지 실시예 5에서 실시한 바와 동일한 방법으로 형광체 분말을 제조하였다. 비교예 3 내지 비교예 6에 포함된 융제의 조성은 하기 표 4에 나타낸 바와 같다:
Ca 전구체 Mg 전구체 Si 전구체 (몰%)
비교예 1 질산염 초산염 100% TEOS
비교예 2 초산염 질산염 100% TEOS
비교예 3 질산염 질산염 100% TEOS + 0% 흄드 실리카
비교예 4 질산염 질산염 90% TEOS + 10% 흄드 실리카
비교예 5 질산염 질산염 70% TEOS + 30% 흄드 실리카
비교예 6 질산염 질산염 50% TEOS + 50% 흄드 실리카
비교예 7
이트륨 질산염, 세륨 질산염과 Si 전구체로 TEOS를 사용하여 미량의 질산이 함유된 증류수에 녹여 1M의 분무용액을 제조하였다. 이때 Si는 양론비에 115 %가 되게 하였다. Ce의 함량은 이트륨에 2 몰%이었다. 제조된 분무용액은 초음파 액적발생기를 이용하여 액적으로 만들고, 운반기체 공기를 40 리터/분 유량으로 하여 900℃ 반응기에서 건조 및 열분해시켜 분말로 제조하였다. 제조된 형광체 분말은 1300℃ 산화분위기에서 3시간 열처리하여 Y2SiO5:Ce 형광체를 제조하였다.
결과
도 1a는 실시예 1 내지 실시예 3 및 실시예 5에 해당하는 형광체 분말에 대한 전자현미경 사진을 나타낸다. 도 1b는 비교예 1 및 비교예 2에 해당하는 형광체 분말에 대한 전자현미경 사진을 나타낸다.
도 2는 실시예 4와 같이, Ca 및 Mg의 전구체로 염산염을 사용하고, Si의 전구체로 TEOS를 이용하여 제조한 형광체 분말의 전자현미경 사진이다.
도 3은 비교예 3에 따라 제조된 Ca1 - xMgSi2O6:Eux 형광체를 1,250℃에서 환원처리한 이후를 촬영한 전자현미경 사진이다. 도 2와 비교하여, 열처리 후 응집이 심하여 구형의 형상을 가지지 못한다.
도 4 내지 도 7은 각각 실시예 6 내지 실시예 8 및 실시예 11에 해당하는 형광체 분말의 전자현미경 사진들이다. 즉, Ca 및 Mg의 전구체로서 모두 염산염계를 이용하고, Si의 전구체로서 나노 크기의 흄드 실리카 및 TEOS를 혼합하여 사용한 결과를 나타낸 사진이다. 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, TEOS 대신 흄드 실리카를 혼합한 경우 형태가 개선됨을 확인할 수 있다.
도 7은 흄드 실리카만을 Si의 전구체로 하여 제조한 형광체의 전자현미경 사진이다. 구형의 형상은 유지하고 있으나, 입자 간의 응집이 발생하였다.
도 8 내지 도 10은 각각 비교예 4 내지 비교예 6에 해당하는 형광체 분말들의 전자현미경 사진들이다. 도 4 내지 도 6의 것과 비교하면, 비교예 4 내지 비교예 6의 형광체는 전체적으로 응집이 많다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 Si의 전구체를 흄드 실리카로 대체하여 사용할 경우, Ca 및 Mg의 전구체로서 질산염을 사용하면 형상 특성 개선이 없고, 염산염계를 사용하는 것이 바람직하다는 것을 의미한다.
상기의 결과에 의하면, 3가지 전구체 종류를 조합하여 제조한 결과 Ca 및 Mg의 전구체 중 어느 한쪽이라도 염산염을 사용했을 때 구형에 가까운 분말을 얻을 수 있다. 이와 반대로, 질산염 및 초산염 전구체를 사용한 경우는 구형의 형상을 유지하지 못하고, 모두 응집된 형태로 나타난다.
도 11에는 비교예 7과 실시예 3에 해당하는 청색 형광체 분말의 전계 방출 스펙트럼을 나타내었다. 도 11를 참조하면, 실시예 3에 따른 청색 형광체 분말은 기존의 Y2SiO5:Ce 형광체에 비해 우수한 발광 특성을 나타냄을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 분무열분해법에 의하여 전구체 물질들을 적절한 조합하여 형광체의 발광특성이 개선된 구형 실리케이트계 형광체를 제조할 수 있다. 또한, 나노미터 크기의 실리카 분말을 사용한 콜로이드 용액의 농도에 따라 입자의 형태를 조절할 수 있으며, 속이 차고 구형의 형상을 유지하는 형광체를 제조할 수 있다. 따라서, 이러한 구형의 청색 형광체는 자외선 영역 하에서 발광특성 및 저전압 전계 발광 휘도를 향상시킬 수 있어 차세대 플라즈마 디스플레이 패널(PDP) 및 전자 방출 소자(FED)에 적용가능하다.
도 1a는 실시예 1 내지 실시예 3 및 실시예 5에 해당하는 형광체의 전자현미경 사진이다.
도 1b는 비교예 1 및 비교예 2에 해당하는 형광체의 전자현미경 사진이다.
도 2는 실시예 4에 해당하는 형광체의 전자현미경 사진이다.
도 3는 비교예 3에 해당하는 형광체의 전자현미경 사진이다.
도 4는 실시예 6에 해당하는 형광체의 전자현미경 사진이다.
도 5는 실시예 7에 해당하는 형광체의 전자현미경 사진이다.
도 6는 실시예 8에 해당하는 형광체의 전자현미경 사진이다.
도 7는 실시예 11에 해당하는 형광체의 전자현미경 사진이다.
도 8는 비교예 4에 해당하는 형광체의 전자현미경 사진이다.
도 9는 비교예 5에 해당하는 형광체의 전자현미경 사진이다.
도 10는 비교예 6에 해당하는 형광체의 전자현미경 사진이다.
도 11는 실시예 3 및 비교예 7에 해당하는 형광체의 전계 발광 스펙트럼을 도시한 도면이다.

Claims (18)

  1. a) 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg) 전구체 물질로서 적어도 하나가 염산염인 것을 조건으로 하여 각각 질산염, 염산염, 및 초산염 중에서 선택된 하나; 규소(Si)의 전구체 물질로서 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 및 나노 미터 크기의 실리카 분말 중에서 선택된 하나 이상; 및 활성 성분으로서 유로피움(Eu);을 증류수에 용해시켜 전구체 용액을 형성하는 단계;
    b) 상기 전구체 용액을 분무액적 발생장치를 이용하여 0.1 ~ 100㎛ 직경의 액적을 발생시키는 단계;
    c) 상기 발생된 액적을 건조 및 열분해 과정을 거쳐 화학식 1로 표시되는 형광체 분말을 얻는 단계; 및
    d) 상기 형광체 분말을 산화시킨 후 수소/질소 기체 분위기하에서 열처리하여 최종 형광체 분말을 제조하는 단계;를 포함하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법:
    [화학식 1]
    Ca1 - xMgSi2O6:Eux
    상기 식에서, 0 ≤ x ≤ 2이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노 미터 크기의 실리카 분말이 흄드 실리카(fumed silica)인 것을 특징으로 하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전구체 용액을 형성하는 단계에서 용제로서 염화암모늄을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전구체 용액의 농도가 0.1 ~ 2 M인 것을 특징으로 하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 형광체 분말을 얻는 단계는 액적을 600 ~ 1300℃의 반응기에 통과시켜 건조 및 열분해하는 것을 특징으로 하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 최종 형광체를 제조하는 단계는 900 내지 1300℃에서 3 내지 6시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 최종 형광체를 제조하는 단계에서 수소/질소 분위기는 수소가 1-10%이고, 질소가 90-99%인 것을 특징으로는 하는 분무열분해법에 의한 구 형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 규소(Si)의 전구체 물질로서 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 및 나노 미터 크기의 실리카 분말을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 나노 미터 크기의 실리카 분말이 흄드 실리카(fumed silica)인 것을 특징으로 하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 흄드 실리카의 함량이 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 100몰%를 기준으로 하여 10 내지 100몰%인 것을 특징으로 하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  11. a) 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg) 전구체 물질로서 염산염; 규소(Si)의 전구체 물질로서 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 및 나노 미터 크기의 실리카 분말 중에서 선택된 하나 이상; 및 활성 성분으로서 유로피움(Eu);을 증류수에 용해시켜 전구체 용액을 형성하는 단계;
    b) 상기 전구체 용액을 분무액적 발생장치를 이용하여 0.1 ~ 100㎛ 직경의 액적을 발생시키는 단계;
    c) 상기 발생된 액적을 건조 및 열분해 과정을 거쳐 화학식 1로 표시되는 형광체 분말을 얻는 단계; 및
    d) 상기 형광체 분말을 산화시킨 후 수소/질소 기체 분위기하에서 열처리하여 최종 형광체 분말을 제조하는 단계;를 포함하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법:
    [화학식 1]
    Ca1 - xMgSi2O6:Eux
    상기 식에서, 0 ≤ x ≤ 2이다.
  12. 제11항에 있어서, 상기 나노 미터 크기의 실리카 분말이 흄드 실리카(fumed silica)인 것을 특징으로 하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 흄드 실리카의 함량이 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 100몰%를 기준으로 하여 10 내지 100몰%인 것을 특징으로 하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 전구체 용액의 농도가 0.1 ~ 2 M인 것을 특징으로 하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 전구체 용액을 형성하는 단계에서 용제로서 염화암모늄을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분무열분해법에 의한 구형 실리케이트계 청색 형광체의 제조방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 구형 실리케이트계 청색 형광체.
  17. 제16항의 구형 실리케이트계 청색 형광체를 이용하여 형성된 형광막을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 디스플레이 패널.
  18. 제16항의 구형 실리케이트계 청색 형광체를 이용하여 형성된 형광막을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
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