KR20100099451A - Fabrication method for nitride phosphor using spark plasma sintering - Google Patents
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Abstract
Description
본 명세서에 개시된 기술은 방전 플라즈마 소결법을 이용한 질화물 형광체의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는, 카본 오염이 적으며 발광특성이 우수한 질화물 형광체를 저온에서 빠른 속도로 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.The technique disclosed in the present disclosure relates to a method for producing a nitride phosphor using the discharge plasma sintering method, and more particularly, to a method for producing a nitride phosphor having low carbon contamination and excellent luminescent properties at a low speed at a high speed.
질화물 형광체는 산화물 형광체 비해 높은 공유도를 가져 발광효율이 뛰어나고, 황화물 형광체와 비교했을 때, 화학적 열적 안정성이 뛰어나서 고출력 조명으로 쓰이는 발광다이오드용 형광체로써 뛰어난 특성을 나타낸다고 알려져 있다. 하지만 질화물은 높은 온도와 높은 N2 가압의 합성조건을 필요로 하므로 많은 연구가 진행되지는 않았다. 또한 활성제(activator)로 쓰이는 희토류계 이온의 반지름이 Ga, In, Al 등의 III족 이온에 비해 커서 III족 이온 자리를 치환하기 어렵다. 따라서 활성제 이온을 스퍼터링이나 유기금속화학기상증착(MOCVD)의 방법으로 도입한 박막형 형광체가 주로 만들어지고 있으나, 이는 비정질 형광체로서 발광효율이 떨어진다.Nitride phosphors are known to exhibit excellent properties as light emitting diode phosphors used for high power illumination because they have a higher degree of covalentness than oxide phosphors and have excellent luminous efficiency, and excellent chemical and thermal stability when compared to sulfide phosphors. However, much research has not been carried out because nitrides require high temperature and high N 2 pressure. In addition, the radius of the rare earth-based ions used as an activator is larger than that of group III ions such as Ga, In, and Al, so that it is difficult to replace the group III ion site. Therefore, thin film-type phosphors in which activator ions are introduced by sputtering or organic metal chemical vapor deposition (MOCVD) are mainly produced.
결정질 분말형 AlN 형광체는 Hara 등에 의해 최초로 연소법을 이용하여 AlN에 여러 란타나이드 산화물을 도핑한 실험이 보고되었다(K. Hara et al. "Combustion Synthesis of Aluminum Nitride Phosphors" Proceeding : EL2004 pp. 24-27). 연소법은 직접적인 Al의 질화를 통하여 AlN을 만드는 방법으로, Al의 녹는점이 660℃로 질화가 일어나는 온도보다 낮아 Al 입자가 시료 내에 남아 있는 경우가 많아 형광체의 발광 효율을 떨어뜨린다. 또 다른 방법으로 Hiroski 등에 의해 가압 소결로에서 유로퓸을 도핑한 실험이 발표되었다(N. Hirosaki et al. "Blue-emitting AlN:Eu2+ nitride phosphors for field emssion displays" Applied Physics Letters 2007. 91, 061101, T. Takeda, N. Hirosaki, R. -J. Xie, K. Kimoto, M. Saito "Luminescence and Structure of Europium Doped Aluminum Nitride Phosphor" Proceeding : International Display Workshops 2008. pp.2029-2030). 이는 상용화된 산화물계 형광체와 비교하여 높은 발광 특성과 안정성을 보였으나, 가스압 소결로 장비의 특성상 긴 시간과 많은 양의 질소 가스를 필요로 하여 제조 단가를 올리는 역할을 한다. 따라서 새로운 질화물 형광체의 합성방법의 필요성이 요청된다.A crystalline powder type AlN phosphor was first reported by Doa et al. By doping various lanthanide oxides to AlN using a combustion method (K. Hara et al. "Combustion Synthesis of Aluminum Nitride Phosphors" Proceeding: EL2004 pp. 24-27). ). In the combustion method, AlN is formed through direct nitriding of Al. Al melting is lower than the temperature at which nitriding occurs at 660 ° C., so that Al particles are often left in the sample. Another method was reported by Hiroski et al. Of doping europium in a pressure sintering furnace (N. Hirosaki et al. "Blue-emitting AlN: Eu 2+ nitride phosphors for field emssion displays" Applied Physics Letters 2007. 91, 061101 , T. Takeda, N. Hirosaki, R.-J. Xie, K. Kimoto, M. Saito "Luminescence and Structure of Europium Doped Aluminum Nitride Phosphor" Proceeding: International Display Workshops 2008. pp. 2029-2030). This showed high luminescence properties and stability compared to commercially available oxide-based phosphors, but increases the manufacturing cost by requiring a long time and a large amount of nitrogen gas due to the characteristics of gas pressure sintering equipment. Therefore, there is a need for a method of synthesizing a new nitride phosphor.
일 실시예에 따르면, 카본 몰드 및 상기 카본 몰드의 양단에 각각 위치한 제1 카본 펀치 및 제2 카본 펀치를 포함하는 방전 플라즈마 소결 장치를 이용한 질화물 형광체의 제조방법이 제공된다. 이는 질화물 분말 및 활성제를 포함하는 형광체 분말원료를 제공하는 단계, 카본 필름의 적어도 일부에 보론 질화물(BN)을 코팅하는 단계, 보론 질화물이 코팅된 면이 상기 형광체 분말원료와 접촉할 수 있도록 상기 카본 필름을 상기 카본 몰드의 내벽을 따라 배치하고, 상기 형광체 분말원료를 상기 카본 몰드 내에 투입하되, 상기 형광체 분말원료와 상기 제1 카본 펀치 사이에 제1 보론 질화물 기재를 개재시키고, 상기 형광체 분말원료와 상기 제2 카본 펀치 사이에 제2 보론 질화물 기재를 개재시킴으로써 적어도 상기 형광체 분말원료가 상기 카본 몰드, 상기 제1 카본 펀치 및 상기 제2 카본 펀치의 표면과 직접적으로 접촉되지 않도록 하는 단계, 상기 카본 몰드를 상기 방전 플라즈마 소결 장치의 챔버에 설치하고 상기 챔버 내의 산소를 제거하는 단계, 상기 형광체 분말원료 혼합물을 승온 및 가압하여 소결하는 단계, 및 압력을 제거하고 냉각하여 얻어진 소결체를 분쇄하여 형광체 분말을 얻는 단계를 포함한다.According to one embodiment, there is provided a method for producing a nitride phosphor using a discharge plasma sintering apparatus comprising a carbon mold and a first carbon punch and a second carbon punch respectively positioned at both ends of the carbon mold. This method comprises the steps of providing a phosphor powder raw material comprising a nitride powder and an activator, coating boron nitride (BN) on at least a portion of the carbon film, and allowing the boron nitride coated surface to contact the phosphor powder raw material. The film is disposed along the inner wall of the carbon mold, and the phosphor powder material is introduced into the carbon mold, and a first boron nitride substrate is interposed between the phosphor powder material and the first carbon punch, and the phosphor powder material Interposing the second boron nitride substrate between the second carbon punches such that at least the phosphor powder material does not directly contact the surfaces of the carbon mold, the first carbon punch and the second carbon punch, the carbon mold Is installed in the chamber of the discharge plasma sintering apparatus and the oxygen in the chamber is , The sintering temperature was raised and the pressure to the phosphor powder, the raw material mixture, and the pressure was released and crushing the sintered product obtained by cooling a step to obtain a phosphor powder.
다른 실시예에 따르면, AlN, 광감작제, 및 활성제를 포함하는 AlN 형광체 분말원료를 카본 몰드 내에 투입하는 단계, 상기 카본 몰드를 방전 플라즈마 소결 장치의 챔버에 설치하고 상기 챔버 내의 산소를 제거하는 단계, 상기 형광체 분말원료를 승온 및 가압하여 소결하는 단계, 및 압력을 제거하고 냉각하여 얻어진 소결체를 분쇄하여 형광체 분말을 얻는 단계를 포함하는 AlN 형광체의 제조방법이 제공된다.According to another embodiment, the step of injecting AlN phosphor powder raw material containing AlN, a photosensitizer, and an activator into a carbon mold, installing the carbon mold in a chamber of the discharge plasma sintering apparatus and removing oxygen in the chamber And sintering by heating and pressurizing the phosphor powder raw material, and sintering the sintered body obtained by removing the pressure and cooling to obtain a phosphor powder.
이하, 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 기술에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장 되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, the technology disclosed herein will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout.
방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering, SPS)은 기존의 상압 소결은 물론 열간(Hot Pressing, HP) 소결이나 열간 정수압(Hot Isotactic Pressing, HIP) 소결에 비해서 매우 짧은 시간에 높은 소결 밀도를 얻을 수 있으므로 난소결성 물질의 소결에 널리 응용되고 있다. Spark Plasma Sintering (SPS) is an ovary because it can achieve higher sintered density in a very short time than conventional atmospheric sintering as well as hot (Hot Pressing) and Hot Isotactic Pressing (HIP) sintering. It is widely applied to sintering formed materials.
도 1은 본 명세서에 개시된 질화물 형광체의 제조방법에 사용되는 방전 플라즈마 소결장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도시한 바와 같이, 방전 플라즈마 소결 장치는 전력발생부(10), 가압부(20), 및 챔버(30)로 구성될 수 있다. 전력발생부(10)는 펄스형의 직류 전류(11)를 발생시킬 수 있다. 가압부(20)는 시료, 즉 형광체 분말원료(21)를 담기 위한 카본 몰드(22)와 카본 몰드(22)에 삽입되어 시료에 압력을 인가하는 제1 카본 펀치(23) 및 제2 카본 펀치(24)로 이루어질 수 있다. 1 is a view showing an embodiment of a discharge plasma sintering apparatus used in the method for producing a nitride phosphor disclosed herein. As shown, the discharge plasma sintering apparatus may be composed of a
도 2는 방전 플라즈마 소결장치의 가압부의 일 단면 구조를 나타낸 도면이다. 도시한 바와 같이, 방전 플라즈마 소결장치의 가압부(20)에는 또한 소결체의 간편한 이형을 위해 카본 몰드(22)의 내벽에 카본 필름(25)이 배치될 수 있다. 카본 필름(25)은 형광체 분말원료(21)로부터 제조된 소결체와 카본 몰드(22) 사이에 개재되어 소결체가 카본 몰드(22)로부터 쉽게 분리될 수 있도록 한다.2 is a view showing one cross-sectional structure of the pressing unit of the discharge plasma sintering apparatus. As shown, the
형광체 분말원료와 같은 시편에 펄스형의 직류 전류를 인가하여 소결할 경우, 소결 초기에는 과량의 전류(electric current)에 의해 입자 간에 플라즈마 방전(discharge)이 생성되고 수 천도가 넘는 고열이 발생하게 된다. 이 열에 의해 입 자간 접촉부위에 넥(neck)이 생성되면 전류에 의한 주울 가열(Joule heating)로 이어진다. 결국 시편 자체에서 발열이 시작될 수 있으며, 소결이 진행됨에 따라 플라즈마는 더 이상 발생하지 않지만 펄스 형태로 가해지는 전류에 의해 시편은 더욱 치밀해질 수 있다.In the case of sintering by applying a pulsed direct current to a specimen such as a phosphor powder raw material, an excessive amount of electric current generates plasma discharge between particles in the initial stage of sintering and generates high heat of more than several thousand degrees. . This heat creates a neck at the interparticle contacts, leading to Joule heating by current. Eventually, the specimen itself may start to generate heat, and as the sintering proceeds, plasma no longer occurs, but the specimen may be more dense due to the current applied in the form of a pulse.
방전 플라즈마 소결법을 이용한 질화물 형광체의 제조방법의 일 실시예에 따르면, 먼저 형광체 분말원료를 카본 몰드에 투입한다. 형광체 분말원료로서 주원료인 질화물 분말에 활성제(activator)를 일정 비율 혼합하여 사용할 수 있다. 질화물은 구체적으로 AlN, GaN, InN, 등의 III-V족 화합물과 M-α-SiAlON, β-SiAlON (M=Ca, Ba, Sr)과 같은 SiAlON 계열, MSi2O2N2 (M=Ca, Ba, Sr), La-Si-O-N (La=란탄계 원소)과 같은 실리콘 옥시나이트라이드(silicon oxynitride) 계열, MSi4N7, MSi5N8, MSi7N10 (M=Ca, Ba, Sr)과 같은 Si3N4 계열의 화합물, MAlSiN3 (M=Ca, Ba, Sr)과 같은 CASIN 계열의 화합물 등을 들 수 있다. 활성제는 에너지를 받아 빛의 형태로 방출하는 역할을 할 수 있다. 형광체 합성에 적합한 활성제 이온의 예로 Eu, Ce, Mn, Pr, Gd, Tb, Dy, Er, Tm, Ho 및 Yb 등을 들 수 있으며 이들을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다. 질화물 형광체의 분말원료는 광감작제(sensitizer)를 더 포함할 수도 있다. 광감작제는 활성제의 도핑 농도를 증가 시키거나, 질화물에서 받은 에너지를 활성제로 전달하는 역할, 그리고, 형광체의 전도도를 증가시키는 역할 등을 할 수 있다. 형광체 합성에 적합한 광감작제의 예로 Si3N4을 들 수 있다. According to one embodiment of the method for producing a nitride phosphor using the discharge plasma sintering method, the phosphor powder raw material is first introduced into a carbon mold. As a phosphor powder raw material, an activator may be mixed and used in a nitride powder as a main raw material. The nitrides specifically include group III-V compounds such as AlN, GaN, InN, and SiAlON series such as M- α -SiAlON and β-SiAlON (M = Ca, Ba, Sr), MSi 2 O 2 N 2 (M = Ca, Ba, Sr), silicon oxynitride series such as La-Si-ON (La = lanthanum element), MSi 4 N 7 , MSi 5 N 8 , MSi 7 N 10 (M = Ca, Si 3 N 4 series compounds such as Ba, Sr), and CASIN series compounds such as MAlSiN 3 (M = Ca, Ba, Sr). The activator can act to receive energy and release it in the form of light. Examples of activator ions suitable for phosphor synthesis include Eu, Ce, Mn, Pr, Gd, Tb, Dy, Er, Tm, Ho and Yb, and these may be used alone or in combination. The powder raw material of the nitride phosphor may further include a photosensitizer. The photosensitizer may play a role of increasing the doping concentration of the active agent, transferring energy received from the nitride to the active agent, and increasing the conductivity of the phosphor. Si 3 N 4 is an example of a photosensitizer suitable for phosphor synthesis.
형광체 분말원료 중 질화물은 85 내지 99 중량%, 광감작제는 4 내지 10 중 량%, 활성제는 1 내지 5 중량% 사용하는 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나면 발광효율이 떨어지거나, 소결체가 분말 형태로 만들어지기 어려울 수 있다. 예를 들어 AlN:Eu 형광체를 제조할 경우 AlN 90 내지 94 중량%, Si3N4 4 내지 8 중량%, Eu2O3 1 내지 3중량%를 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable to use 85 to 99% by weight of nitride, 4 to 10% by weight of photosensitive agent, and 1 to 5% by weight of active agent in the phosphor powder raw material. Outside the above range, the luminous efficiency may be reduced, or the sintered body may be difficult to be formed in powder form. For example, when preparing AlN: Eu phosphor, it is preferable to use AlN 90 to 94% by weight, Si 3
다음 상기 카본 몰드를 방전 플라즈마 소결 장치의 챔버에 설치하고 상기 챔버 내의 산소를 제거한다. 형광체 합성시 불순물로 작용할 수 있는 산소를 제거하기 위해 진공화를 하여 챔버 내의 압력을 상온에서 50mbar 내지 100mbar로 유지할 수 있다. 다르게는, 예를 들어 분당 50 내지 300sccm의 질소 가스를 주입하여 질소 분위기를 조성할 수도 있다.Next, the carbon mold is installed in a chamber of the discharge plasma sintering apparatus to remove oxygen in the chamber. The pressure in the chamber may be maintained at 50 mbar to 100 mbar at room temperature by vacuuming to remove oxygen which may act as an impurity in phosphor synthesis. Alternatively, for example, a nitrogen atmosphere may be formed by injecting nitrogen gas at 50 to 300 sccm per minute.
이어 상기 형광체 분말원료를 승온 및 가압하여 소결한다. 온도는 50 내지 200℃/분의 속도로 승온할 수 있으며, 1500 내지 2000℃, 더욱 바람직하게는 1600 내지 1800℃, 더더욱 바람직하게는 1700 내지 1750℃까지 승온하는 것이 바람직하다. 상기 온도 미만에서는 합성이 이루어지지 않고 상기 온도를 초과하면 고밀도 소결체가 될 수 있다. 압력은 10 내지 50 MPa이 바람직하다. 상기 일정 온도에 도달한 후에는 1 내지 10분간 온도 및 압력 조건을 유지한다.Subsequently, the phosphor powder raw material is heated and pressed to sinter. The temperature may be elevated at a rate of 50 to 200 ° C./min, and is preferably elevated to 1500 to 2000 ° C., more preferably 1600 to 1800 ° C., even more preferably 1700 to 1750 ° C. If the temperature is lower than the above temperature, the synthesis is not performed, and if the temperature is exceeded, a high density sintered body may be obtained. The pressure is preferably 10 to 50 MPa. After reaching the predetermined temperature, the temperature and pressure conditions are maintained for 1 to 10 minutes.
이후 압력을 제거하고 냉각하여 얻어진 소결체를 분쇄하여 형광체 분말을 얻는다. 이렇게 얻어진 형광체 분말의 잔존 탄소를 제거하기 위해 낮은 온도(600~1000℃의 산화분위기에서 열처리한 후 높은 온도(1300~1500℃)의 환원 분위기에서 열처리를 하는 후열처리 과정이 더 포함될 수 있다.Thereafter, the pressure is removed and the sintered compact obtained by cooling is pulverized to obtain phosphor powder. In order to remove the residual carbon of the phosphor powder thus obtained, a post-heat treatment process may be further performed after heat treatment at a low temperature (600 to 1000 ° C. oxidation atmosphere) and heat treatment at a high temperature (1300 to 1500 ° C.) reducing atmosphere.
종전의 분말 형광체 제조방법인 가스압 소결방법은 2000℃ 내외의 소결온도에서 4~10 시간, 고압의 질소 조건에서 수행해야 하지만, 상술한 방전 플라즈마 소결법을 이용하여 형광체를 합성할 경우, 가스압 소결법보다 낮은 온도 및 빠른 반응 시간을 가지며, 낮은 질소 압력(또는 진공 조건)에서 운전하므로 경제성이 있는 장점을 갖는다.The gas pressure sintering method, which is a method for preparing powder phosphor, has to be carried out at 4 to 10 hours at a sintering temperature of about 2000 ° C. under high pressure nitrogen. It has the advantage of being economical as it has a temperature and a fast reaction time and operates at low nitrogen pressure (or vacuum conditions).
SPS 장치를 이용하여 소결할 경우, 사용하는 카본 펀치 및 카본 필름에 의해 소결체가 카본으로 오염될 수 있으며, 이는 소결체의 발광특성에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다. 따라서 SPS를 행할 때 소결체의 카본 오염을 방지할 필요가 있다.When sintering using the SPS apparatus, the sintered body may be contaminated with carbon by the carbon punch and the carbon film used, which may adversely affect the light emission characteristics of the sintered body. Therefore, when performing SPS, it is necessary to prevent the carbon contamination of the sintered compact.
일 실시예에 따르면, SPS를 이용한 카본 오염이 되지 않는 질화물 형광체의 제조방법이 제공된다.According to one embodiment, there is provided a method for producing a nitride phosphor that is not carbon contamination using SPS.
소결과정에서의 카본 오염 방지를 위해 카본 필름의 적어도 일부에 보론 질화물(BN)을 코팅한다. 도 3에 BN 코팅된 카본 필름의 예를 나타내었다. BN 코팅은 페인트형 BN을 대상물에 스프레이 코팅, 스핀 코팅 또는 딥 코팅을 함으로써 수행될 수 있다. 적어도 시료와 직접 접촉되는 부분에 코팅이 이루어질 수 있으며, 도시한 바와 같이 카본 필름은 BN이 코팅된 영역과 코팅이 되지 않은 영역으로 나뉘어질 수 있다. 카본 필름에 BN을 코팅할 경우 코팅 영역이 필름 면을 완전히 덮게 되면 절연성인 BN 코팅에 의해 제1 카본 펀치, 카본 몰드, 제2 카본 펀치 사이에 전류가 흐르지 않을 수 있다. 따라서 이를 막기 위해 형광체 분말원료와 직접적으로 접촉하지 않는 부분은 BN 코팅을 하지 않을 수 있다.Boron nitride (BN) is coated on at least a portion of the carbon film to prevent carbon contamination during the sintering process. 3 shows an example of the BN coated carbon film. BN coating may be carried out by spray coating, spin coating or dip coating the paint-type BN on the object. Coating may be performed on at least a portion in direct contact with the sample, and as shown, the carbon film may be divided into a BN-coated area and an uncoated area. When BN is coated on the carbon film, if the coating region completely covers the film surface, current may not flow between the first carbon punch, the carbon mold, and the second carbon punch by the insulating BN coating. Therefore, in order to prevent this, the part not directly contacting the phosphor powder raw material may not be BN coated.
다음 보론 질화물이 코팅된 부분이 형광체 분말원료와 접촉할 수 있도록 상 기 카본 필름을 상기 카본 몰드의 내벽을 따라 배치한다. BN 코팅된 상기 카본 필름을 둥글게 말아 몰드 내벽에 설치하는데, BN이 코팅되지 않은 부분에는 이후 투입될 형광체 분말원료가 닿지 않도록 한다.Next, the carbon film is disposed along the inner wall of the carbon mold so that the boron nitride-coated portion may come into contact with the phosphor powder raw material. The BN-coated carbon film is rolled round and installed on the inner wall of the mold, so that the phosphor powder material to be introduced later does not come into contact with the BN-coated portion.
다음 형광체 분말원료 혼합물을 상기 카본 몰드 내에 투입한다. 이때 상기 형광체 분말원료 혼합물과 상기 제1 카본 펀치 사이에 제1 보론 질화물 기재를 개재시키고, 상기 형광체 분말원료 혼합물과 상기 제2 카본 펀치 사이에 제2 보론 질화물 기재를 개재시킴으로써 적어도 상기 형광체 분말원료 혼합물이 상기 카본 몰드, 상기 제1 카본 펀치 및 상기 제2 카본 펀치의 표면과 직접적으로 접촉되지 않도록 한다. 상기 제1 보론 질화물 기재 및 상기 제2 보론 질화물 기재는 각각 일정 두께를 갖는 판상 형태를 가질 수 있으며 소결과정에서 온도 및 압력 변화에 따른 내구성을 갖는다. 도 4는 제1 보론 질화물 기재 및 제2 보론 질화물 기재가 갖는 형태의 예들을 나타낸 도면이다. 제1 보론 질화물 기재 및 제2 보론 질화물 기재는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 제1 카본 펀치 및 제2 카본 펀치의 일단에 코팅된 층의 형태를 갖거나 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 제1 카본 펀치 및 제2 카본 펀치와 분리된 펠릿(pellet) 형태를 가질 수 있다. 펠릿은 BN 분말을 프레싱 몰드를 이용하여 5분간 10MPa이상의 압력을 유지시켜 제작할 수 있다. 상기 제1 보론 질화물 기재 및 상기 제2 보론 질화물 기재의 두께는 카본 침투를 막기에 충분하면 특별히 제한되지 않지만 2mm 내지 5mm 일 수 있다.The phosphor powder raw material mixture is then introduced into the carbon mold. Wherein at least the phosphor powder raw material mixture is interposed between the phosphor powder raw material mixture and the first carbon punch and a second boron nitride substrate is interposed between the phosphor powder raw material mixture and the second carbon punch. Do not directly contact the surfaces of the carbon mold, the first carbon punch and the second carbon punch. The first boron nitride substrate and the second boron nitride substrate may each have a plate shape having a predetermined thickness and have durability according to temperature and pressure changes during the sintering process. 4 is a view showing examples of the form of the first boron nitride substrate and the second boron nitride substrate. The first boron nitride substrate and the second boron nitride substrate have the form of a layer coated on one end of the first carbon punch and the second carbon punch as shown in FIG. 4 (a) or in FIG. 4 (b). As shown in the drawing, it may have a pellet form separated from the first carbon punch and the second carbon punch. The pellet can be produced by maintaining the pressure of 10MPa or more for 5 minutes using the BN powder pressing mold. The thickness of the first boron nitride substrate and the second boron nitride substrate is not particularly limited as long as it is sufficient to prevent carbon penetration, but may be 2 mm to 5 mm.
도 5는 방전 플라즈마 장치로 소결시 카본 침투를 막기 위한 가압부의 일 단면 구조이다. 도시한 바와 같이 상술한 카본 오염이 되지 않는 질화물 형광체의 제 조를 위해 가압부는 카본 몰드(22) 내부 공간이 제1 BN 기재(26), 제2 BN 기재(27) 및 카본 필름(25) 표면의 BN 코팅된 부분(25')으로 둘러싸여 있으므로, 이후 형광체 분말원료(미도시)가 카본 몰드(22) 내에 투입되었을 때, 주위의 카본 재질을 갖는 카본 필름(25), 제1 카본 펀치(23) 및 제2 카본 펀치(24)로부터 분리될 수 있다.5 is a cross-sectional structure of a pressurizing portion for preventing carbon penetration during sintering with a discharge plasma apparatus. As shown in the drawing, the pressurizing portion has a surface inside the
이후 카본 몰드(22)를 챔버에 설치하고 챔버 내의 산소를 제거하는 공정, 이어 상기 형광체 분말원료를 일정 온도로 승온 및 가압하여 소결하는 공정, 이후 압력을 제거하고 냉각하여 얻어진 소결체를 분쇄하여 형광체 분말을 얻는 공정, 및 후열처리 공정 등은 앞서 상술한 바와 같다. 이렇게 만들어진 형광체 분말 내의 카본 함량은 1 중량% 이하일 수 있다.Thereafter, the
상술한 방전 플라즈마 소결법을 사용하면 질화물 형광체를 기존의 가스압 소결법보다 저온에서 빠른 속도로 발광특성이 우수한 질화물 형광체를 제조할 수 있다. 또한 소결시 BN 펠릿을 사용함으로써 형광체로의 카본 침투를 막을 수 있어 발광 특성을 향상시킬 수 있다.Using the above-described discharge plasma sintering method, it is possible to produce a nitride phosphor having excellent luminescence properties at a low temperature faster than the conventional gas pressure sintering method. In addition, the use of BN pellets during sintering can prevent the penetration of carbon into the phosphor, thereby improving the luminescence properties.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 명세서에 개시된 기술을 설명하고자 하나 본 개시된 기술이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present disclosure will be described with reference to specific embodiments, but the disclosed technique is not limited thereto.
[실시예][Example]
SPS 소결 시 보론 질화물 유무에 따른 AlN 형광체 특성Characteristics of AlN Phosphors with and without Boron Nitride in SPS Sintering
(실시예 1)(Example 1)
방전 플라즈마 소결법을 이용하여 Eu가 도핑된 AlN 형광체를 제조하기 위해 AlN 분말 91 중량%, 광감작제로서 Si3N4 7 중량%, 및 활성제로서 Eu2O3 2 중량%를 혼합하여 1g의 형광체 분말원료를 준비하였다. 카본 필름에 보론 질화물의 용액을 스프레이 코팅한 다음, 이를 둥글게 말아 코팅된 면이 안쪽을 향하도록 카본 몰드의 내벽을 따라 배치하였다. 카본 몰드 하부의 카본 펀치 위에 BN 펠릿을 놓고 상기 형광체 분말원료를 투입한 다음, 다른 BN 펠릿을 그 위에 놓고 카본 몰드 상부의 카본 펀치로 덮은 후 방전 플라즈마 소결(SPS) 장치(SPS, Eltech co.)의 챔버에 설치하였다. 다음 SPS 장치의 챔버 내부를 로타리 펌핑하여 약 80mbar내지 100mbar의 진공 상태를 만든 후 30MPa의 압력을 인가하면서 100℃/분으로 승온시켜 1700℃의 온도에서 5분간 유지한 다음 압력을 제거하고 실온에서 냉각시켰다. 합성된 펠릿 형태의 소결체에 남아 있는 BN 분말을 연마를 통해 제거하고 소결체를 분쇄하였다. 남아 있는 탄소를 제거하고 표면 결함을 줄이기 위해 낮은 온도 산화 분위기에서 열처리한 후 높은 온도 환원 분위기에서 열처리를 하여 AlN 형광체를 제조하였다.1 g of phosphor by mixing 91% by weight of AlN powder, 7% by weight of Si 3 N 4 as a photosensitizer, and 2% by weight of Eu 2 O 3 as an activator to prepare an Al-doped AlN phosphor using a discharge plasma sintering method Powder raw material was prepared. The carbon film was spray coated with a solution of boron nitride and then rolled round and placed along the inner wall of the carbon mold with the coated side facing inward. Place the BN pellet on the carbon punch under the carbon mold and inject the phosphor powder raw material, and then place another BN pellet on it and cover it with the carbon punch on the carbon mold, and then discharge plasma sintering (SPS) apparatus (SPS, Eltech co.) Installed in the chamber. Next, rotary pump the inside of the chamber of the SPS device to create a vacuum of about 80 mbar to 100 mbar, then increase the temperature to 100 ° C./min while applying a pressure of 30 MPa, hold for 5 minutes at a temperature of 1700 ° C., remove the pressure and cool at room temperature. I was. The BN powder remaining in the synthesized pellet sintered compact was removed by grinding and the sintered compact was pulverized. In order to remove the remaining carbon and reduce surface defects, AlN phosphors were prepared by heat treatment in a low temperature oxidizing atmosphere and heat treatment in a high temperature reducing atmosphere.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
보론 질화물이 코팅되지 않는 카본 필름을 사용하고 BN 펠릿을 사용하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 조건으로 AlN 형광체를 제조하였다. An AlN phosphor was prepared under the same conditions as in Example 1 except that a carbon film not coated with boron nitride was used and no BN pellets were used.
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 분말의 카본 침투에 의한 오염 정도를 측 정하기 위해 카본 함량을 카본 분석기(Leco Co,. WC600, MI, USA.)로 분석하였다. 그 결과 실시예 1의 AlN 형광체 내 카본 함량은 0.987 중량%인 반면, 비교예 1의 AlN 형광체 내 카본 함량은 1.960 중량%로서 BN 펠릿을 사용하여 제조한 AlN 형광체의 경우 카본 오염의 정도가 반으로 줄어들었음을 알 수 있다.In order to measure the degree of contamination by carbon infiltration of the powders prepared in Example 1 and Comparative Example 1, the carbon content was analyzed by a carbon analyzer (Leco Co., WC600, MI, USA.). As a result, the carbon content in the AlN phosphor of Example 1 was 0.987% by weight, whereas the carbon content in the AlN phosphor of Comparative Example 1 was 1.960% by weight, and the AlN phosphor manufactured by using BN pellets had a half degree of carbon contamination. It can be seen that the decrease.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1의 AlN 형광체의 광발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도시한 바에 의하면, 각 AlN 형광체는 청색인 480 nm에서 최대 발광파장을 가지며, BN 펠릿을 사용하여 제조한 형광체 경우 카본 침투에 의한 오염이 덜 일어나므로 BN 펠릿을 사용하지 않고 제조한 형광체에 비해 약 92배의 세기를 나타낸다.6 is a graph showing photoluminescence spectra of AlN phosphors of Example 1 and Comparative Example 1. FIG. As shown, each AlN phosphor has a maximum emission wavelength at 480 nm which is blue, and since the phosphor produced using BN pellets is less contaminated by carbon infiltration, it is about compared with the phosphor prepared without BN pellets. It represents 92 times the intensity.
형광체 분말원료의 배합비율에 따른 AlN 형광체의 결정상 및 발광 특성Crystal Phase and Luminescence Characteristics of AlN Phosphors by Mixing Ratio of Phosphor Powder Raw Materials
광감작제로 사용되는 Si3N4 광감작제 양의 변화에 따른 형광체의 물성을 평가하기 위해 실시예 2 내지 6의 AlN 형광체를 합성하였다. 하기 표 1의 배합비율에 따라 반응온도 1750℃에서 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 형광체를 제조하였다.AlN phosphors of Examples 2 to 6 were synthesized to evaluate the physical properties of the phosphors according to the change in the amount of Si 3 N 4 photosensitizer used as the photosensitizer. A phosphor was prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction mixture was prepared at a reaction temperature of 1750 ° C. according to the mixing ratio of Table 1.
표 1: 분말원료의 배합비율(단위: 중량%)Table 1: Mixing ratio of powder raw materials (unit: weight%)
도 7은 실시예 2 내지 6에서 합성된 분말의 X선 회절 패턴이다. 도 7을 참조하면, Si3N4의 혼합량에 상관없이 일정한 AlN 단일상을 관찰할 수 있었다. Al3+에 비해 이온 크기가 작은 Si4+가 Al3+ 자리에 치환해 들어갈 경우 원자간 거리(d)가 가까워져 2θ값이 커질 것이라 예상 할 수 있으나, 실제 2θ 값의 큰 변화가 없는 것을 볼 수 있었다. 이는 Si4+가 Al3+ 자리에 치환하여 적층결함(stacking fault)이 형성되므로 본래 AlN 원자간 거리에 변화를 주지 않는 것으로 보인다.7 is an X-ray diffraction pattern of the powder synthesized in Examples 2 to 6. Referring to FIG. 7, a single AlN single phase could be observed regardless of the amount of Si 3 N 4 mixed. If Si 4+, which has a smaller ion size than Al 3+ , is substituted for Al 3+ , the distance between atoms (d) will be closer to 2θ, but it is expected that there will be no significant change in 2θ. Could. This is because the stacking fault is formed by replacing Si 4+ with Al 3+ sites, which does not seem to inherently change the distance between AlN atoms.
도 8은 실시예 2 내지 6에서 합성된 분말을 상온에서 340nm의 여기 파장을 이용해 측정한 광발광(photoluminescence) 스펙트럼이다. 도 8을 참조하면, 480nm에서 가장 강한 발광 세기를 나타내었고, Si3N4의 함량이 많아질수록 발광세기가 증가하였다. 8 중량%의 Si3N4가 배합된 실시예 6의 형광체의 발광 스펙트럼의 경우 반가폭이 68.8nm로서 넓은 영역에서 발광한다. Si4+가 치환되어 들어가면 적층결함이 형성되어 폴리타이포이드(polytypoid) 구조를 형성하기 때문에 Si3N4의 함량이 많아질수록 발광세기가 증가하게 됨을 알 수 있다.8 is a photoluminescence spectrum of the powder synthesized in Examples 2 to 6 measured using an excitation wavelength of 340 nm at room temperature. Referring to FIG. 8, the strongest light emission intensity was shown at 480 nm, and the light emission intensity increased as the content of Si 3 N 4 increased. In the case of the emission spectrum of the phosphor of Example 6, in which 8 wt% of Si 3 N 4 was incorporated, its half width was 68.8 nm, which emitted light in a wide region. When Si 4+ is substituted, a stacking defect is formed to form a polytypoid structure, so that the emission intensity increases as the content of Si 3 N 4 increases.
소결 온도의 변화에 따른 AlN 형광체의 발광 특성Luminescence Characteristics of AlN Phosphors with Variation of Sintering Temperature
실시예 7 내지 10의 AlN 형광체를 발광 플라즈마 소결법을 사용하여 표 2의 온도에 따라 합성하였으며, 기타 합성 조건은 실시예 1과 동일하였다.The AlN phosphors of Examples 7 to 10 were synthesized according to the temperatures shown in Table 2 using the luminescent plasma sintering method, and other synthesis conditions were the same as those of Example 1.
표 2: 발광 플라즈마 소결시 소결 온도Table 2: Sintering temperature during luminescent plasma sintering
도 9는 반응 전 AlN 분말 및 실시예 7 내지 10의 전계방출 전자현미경(FE-SEM) 사진이다. 도시한 바와 같이, 방전 플라즈마 소결법으로 합성한 AlN 입자들의 크기는 반응 전의 AlN 분말의 입자 크기와 거의 차이가 없이 1㎛ 내외이며, 합성 온도가 높아질수록 입자의 크기는 큰 변화를 보이지 않지만, 입자 표면은 거칠어지는 것을 볼 수 있다.9 is an AlN powder and the field emission electron microscope (FE-SEM) photograph of Examples 7 to 10 before the reaction. As shown, the size of the AlN particles synthesized by the discharge plasma sintering method is about 1 μm, with little difference from the particle size of the AlN powder before the reaction, and as the synthesis temperature increases, the size of the particles does not change significantly, but the particle surface It can be seen that the roughness.
도 10 및 도 11은 각각 실시예 7 내지 10의 AlN 형광체의 광발광(photoluminescence) 스펙트럼 및 음극선 발광(cathodoluminescence) 스펙트럼이다. 광발광 스펙트럼의 여기파장은 340nm이고, 음극선 발광 스펙트럼의 여기원은 가속전압 1keV 및 단위 면적 당 전류 200mA/cm2의 음극선이다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 광발광 스펙트럼은 1700℃(실시예 8)에서, 음극선 발광 스펙트럼은 1750℃(실시예 9)에서 최대 발광세기를 갖는다.10 and 11 are photoluminescence spectra and cathodoluminescence spectra of the AlN phosphors of Examples 7 to 10, respectively. The excitation wavelength of the photoluminescence spectrum is 340 nm, and the excitation source of the cathode emission spectrum is a cathode ray having an acceleration voltage of 1 keV and a current of 200 mA / cm 2 per unit area. 10 and 11, the photoluminescence spectrum has a maximum emission intensity at 1700 ° C. (Example 8) and the cathode emission spectrum at 1750 ° C. (Example 9).
도 1은 본 명세서에 개시된 질화물 형광체의 제조방법에 사용되는 방전 플라즈마 소결장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다.1 is a view showing an embodiment of a discharge plasma sintering apparatus used in the method for producing a nitride phosphor disclosed herein.
도 2는 방전 플라즈마 소결장치의 가압부의 일 단면 구조를 나타낸 도면이다.2 is a view showing one cross-sectional structure of the pressing unit of the discharge plasma sintering apparatus.
도 3은 BN 코팅된 카본 필름의 예를 나타낸 도면이다.3 shows an example of a BN coated carbon film.
도 4는 제1 보론 질화물 기재 및 제2 보론 질화물 기재가 갖는 형태의 예들을 나타낸 도면이다.4 is a view showing examples of the form of the first boron nitride substrate and the second boron nitride substrate.
도 5는 방전 플라즈마 장치로 소결시 카본 침투를 막기 위한 가압부의 일 단면 구조이다.5 is a cross-sectional structure of a pressurizing portion for preventing carbon penetration during sintering with a discharge plasma apparatus.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1의 AlN 형광체의 광발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing photoluminescence spectra of AlN phosphors of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
도 7은 실시예 2 내지 6에서 합성된 분말의 X선 회절 패턴이다.7 is an X-ray diffraction pattern of the powder synthesized in Examples 2 to 6.
도 8은 실시예 2 내지 6에서 합성된 분말을 상온에서 340nm의 여기 파장을 이용해 측정한 광발광(photoluminescence) 스펙트럼이다.8 is a photoluminescence spectrum of the powder synthesized in Examples 2 to 6 measured using an excitation wavelength of 340 nm at room temperature.
도 9는 반응 전 AlN 분말 및 실시예 7 내지 10의 전계방출 전자현미경(FE-SEM) 사진이다.9 is an AlN powder and the field emission electron microscope (FE-SEM) photograph of Examples 7 to 10 before the reaction.
도 10 및 도 11은 각각 실시예 7 내지 10의 AlN 형광체의 광발광(photoluminescence) 스펙트럼 및 음극선 발광(cathodoluminescence) 스펙트럼이다.10 and 11 are photoluminescence spectra and cathodoluminescence spectra of the AlN phosphors of Examples 7 to 10, respectively.
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