KR20210090516A - Composition for UC fluorescent particle, UC fluorescent particle made from the same composition, method of making the same particle, security luminescent ink including the same particle - Google Patents

Composition for UC fluorescent particle, UC fluorescent particle made from the same composition, method of making the same particle, security luminescent ink including the same particle Download PDF

Info

Publication number
KR20210090516A
KR20210090516A KR1020200003911A KR20200003911A KR20210090516A KR 20210090516 A KR20210090516 A KR 20210090516A KR 1020200003911 A KR1020200003911 A KR 1020200003911A KR 20200003911 A KR20200003911 A KR 20200003911A KR 20210090516 A KR20210090516 A KR 20210090516A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phosphor
metal
mol
composition
activator
Prior art date
Application number
KR1020200003911A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102387772B1 (en
Inventor
정경열
배채환
Original Assignee
공주대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 공주대학교 산학협력단 filed Critical 공주대학교 산학협력단
Priority to KR1020200003911A priority Critical patent/KR102387772B1/en
Publication of KR20210090516A publication Critical patent/KR20210090516A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102387772B1 publication Critical patent/KR102387772B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D11/00Inks

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

The present invention relates to an upconversion phosphor composition, a method for manufacturing the same, and security luminescent ink including the same, and more specifically, to an upconversion phosphor particle having high luminance and excellent stability in various usage environments, a method for manufacturing the same at low costs, and security luminescent ink that is difficult to counterfeit by including the same.

Description

업컨버전 형광체 조성물, 이로부터 제조된 업컨버전 형광체 입자 및 그 제조방법 및 이를 포함하는 보안성 발광 잉크{Composition for UC fluorescent particle, UC fluorescent particle made from the same composition, method of making the same particle, security luminescent ink including the same particle}An upconversion phosphor composition, upconversion phosphor particles prepared therefrom, a method for preparing the same, and a security luminescent ink comprising the same ink including the same particle}

본 발명은 업컨버전 형광체 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 보안성 발광 잉크에 관한 것으로서, 구체적으로는 발광 휘도가 높고 다양한 사용환경에서의 안정성이 뛰어난 업컨버전 형광체 입자, 이를 낮은 단가로 제조하는 방법 및 이를 포함하여 제품 위조를 어렵게 할 수 있는 보안성 발광 잉크에 관한 것이다.The present invention relates to an upconversion phosphor composition, a method for manufacturing the same, and a security light emitting ink comprising the same, and more particularly, to upconversion phosphor particles having high luminance and excellent stability in various use environments, and a method for manufacturing the same at a low cost And it relates to a security light emitting ink that can make it difficult to counterfeit products including the same.

세계 경제의 성장과 함께 제품 위조 또는 문서 위조는 일부 국가에서만 발생하는 것이 아닌 전 지구적 문제로써 점차 증가하고 있다. 위조품의 유통은 지식재산권리자의 경제적인 이익을 위협할 뿐 아니라 공공의 건강과 안전도 위협한다. 이러한 위조 관련 범죄의 증가는 관련 범죄의 방지를 위한 첨단 기술의 수요 증가를 의미한다. 때문에 글로벌 기업들은 자사 제품의 보호를 위해 위조 방지 기술 개발에 많은 관심을 기울이고 있으며, 다양한 방식의 위조품을 차단시키기 위한 법적, 제도적 장치와 기술적 장치가 요구된다. 종래의 위조 방지 기술로는 상품에 ID를 부착하는 방식, 비밀잉크나 보이지 않는 프린팅을 활용하는 방식, 제조사와 상품의 고유한 특징 및 마크를 삽입한 홀로그램 방식, 바코드를 이용한 인증 방식, 상품의 정보가 저장되어 있는 RF tag 를 활용한 RFID 방식이 있다. 도 1은 종래의 위조 방지 기술들을 예시하고 있다.With the growth of the global economy, counterfeiting products or counterfeiting documents is increasing as a global problem, not just occurring in some countries. Distribution of counterfeit products not only threatens the economic interests of intellectual property owners, but also threatens public health and safety. The increase in such crimes related to counterfeiting means an increase in demand for advanced technologies to prevent related crimes. Therefore, global companies are paying much attention to the development of anti-counterfeiting technology to protect their products, and legal, institutional and technical devices are required to block various types of counterfeit products. Conventional anti-counterfeiting technologies include a method of attaching an ID to a product, a method using secret ink or invisible printing, a hologram method with the unique characteristics and marks of the manufacturer and product, an authentication method using a barcode, and product information There is an RFID method that utilizes an RF tag in which is stored. 1 illustrates conventional anti-counterfeiting techniques.

이와 같은 다양한 위조 방지 기술 외에도 형광 안료를 이용한 기술이 있다. 형광 안료는 태양광선의 자외선 및 가시광선의 보라색, 청색, 녹색의 광선을 받아 장 파장의 빛으로 사람들의 눈에 잘 띄게 형광을 발하는 안료이다. 발광성 재료로 특정 패턴을 만들고 자외선(UV) 또는 근적외선(NIR) 빛에 의해 특정 패턴에 있는 형광 안료를 발광하게 함으로써 쉽게 위조품을 구별할 수 있다. 형광 안료에는 유기 형광 안료와 무기 형광 안료가 있다. 다운컨버전(Downconversion, DC) 발광을 기반으로 하는 유기 및 무기 발광재료는 발광잉크로 사용된다. 이는 자외선과 같은 단파장의 빛을 흡수하여 장파장의 가시광을 방출한다. 하지만 UV 다운컨버전 재료 및 UV 광원은 접근하기가 쉬워 복제가 쉽다는 단점이 있다.In addition to these various anti-counterfeiting techniques, there is a technique using a fluorescent pigment. Fluorescent pigments are pigments that emit fluorescence conspicuously with long-wavelength light by receiving ultraviolet rays of sunlight and purple, blue, and green rays of visible light. Counterfeit goods can be easily distinguished from counterfeit products by making a specific pattern with a luminescent material and allowing the fluorescent pigment in the specific pattern to be emitted by ultraviolet (UV) or near-infrared (NIR) light. Fluorescent pigments include organic fluorescent pigments and inorganic fluorescent pigments. Organic and inorganic luminescent materials based on downconversion (DC) luminescence are used as luminescent inks. It absorbs short-wavelength light, such as ultraviolet, and emits long-wavelength visible light. However, UV downconversion materials and UV light sources have the disadvantage of being easy to access and easy to replicate.

이에 반해, 업컨버전(Upconversion, UC) 발광을 기반으로 하는 근적외선(NIR) 발광재료는 UV 발광재료에 비해 복제하기가 어려우며 NIR 광원 또한 접근하기가 어렵다. 또한 업컨버전 발광재료는 설계된 발광수명 하에서만 설계된 방출 색상을 생성하도록 제제화 될 수 있어 복제하기 어렵다는 장점이 있다. In contrast, near-infrared (NIR) luminescent materials based on upconversion (UC) luminescence are difficult to replicate compared to UV luminescent materials, and NIR light sources are also difficult to access. In addition, the upconversion luminescent material has the advantage of being difficult to replicate because it can be formulated to produce a designed emission color only under the designed emission lifetime.

형광체(phosphor)는 전자선이나 X선과 같은 낮은 에너지의 빛을 흡수하여 높은 에너지의 가시광선 빛을 방출하는 발광물질이다. 형광체는 크게 모체(Host)와 활성제(Activator), 부활성제(Co-activator)로 구성되어 있다. 모체는 형광체의 대부분을 구성하는 물질로 활성제를 모체 격자 내에 고정시켜 주고 여기 에너지를 흡수하여 활성제에 전달해주는 역할을 한다. 활성제는 주로 양이온 자리에 치환되어 모체로부터 활성제를 받아 여기 되었다가 바닥상태로 떨어지면서 에너지를 방출한다. 발광과정에 관여하는 에너지를 결정하여 발광색과 발광효율에 영향을 미친다. 특징적인 발광 특성은 모체 물질에 비교적 적은 양의 활성제를 첨가함으로써 얻어진다. 부활성제는 발광 효율을 증가시키기 위해 첨가해주는 것으로 에너지를 받아 여기 되었다가 바닥상태로 떨어지면서 활성제로 에너지를 전달하는 역할을 한다. 도 2는 활성제를 함유한 형광체의 개략도를 나타낸 그림이다. 형광체의 모체가 외부로부터 에너지를 흡수하면 활성제는 모체로부터 에너지를 넘겨받아 이를 가시광선으로 변환시키는 중심을 만들어 발광한다.A phosphor is a light-emitting material that absorbs low-energy light such as electron beams or X-rays and emits high-energy visible light. The phosphor is largely composed of a host, an activator, and a co-activator. The matrix is a material constituting most of the phosphor, which fixes the activator in the matrix grid, absorbs excitation energy and transfers it to the activator. The activator is mainly substituted at the cation site, receives the activator from the parent, is excited, and then releases energy while falling to the ground state. It determines the energy involved in the luminescence process and affects the luminous color and luminous efficiency. The characteristic luminescent properties are obtained by adding a relatively small amount of the active agent to the parent material. The deactivator is added to increase the luminous efficiency, and it is excited by receiving energy and then falls to the ground state and transfers energy to the activator. 2 is a diagram showing a schematic diagram of a phosphor containing an activator. When the parent body of the phosphor absorbs energy from the outside, the activator takes over the energy from the parent body and creates a center that converts it into visible light and emits light.

형광체는 은폐력이 우수하고 외부 광원에 의해 발광을 쉽게 관찰할 수 있기 때문에 좋은 보안재료로 사용된다. 또한 광 에너지 전환 기술, 디스플레이 장치, 레이저, 방사선 검출기 및 바이오 라벨 등 다양한 분야에 응용된다. 이러한 UC 형광체의 모체로는 주로 희토류 기반 산화물, 불소화합물 및 염소화합물이 사용되고 있다. 보다 경쟁력 있는 UC 형광체를 제조하기 위해서는 가격적인 측면에서 저렴해야 하며 다양한 사용 환경에서 안정성을 가질 수 있는 물질이어야 한다. 따라서 비희토류 산화물을 기반으로 한 UC 형광체의 개발이 필요하다.Phosphor is used as a good security material because it has excellent hiding power and can easily observe light emission by an external light source. It is also applied to various fields such as light energy conversion technology, display devices, lasers, radiation detectors, and biolabels. Rare earth-based oxides, fluorine compounds, and chlorine compounds are mainly used as the matrix for these UC phosphors. In order to manufacture a more competitive UC phosphor, it must be inexpensive in terms of price and must be a material that can have stability in various use environments. Therefore, it is necessary to develop UC phosphors based on non-rare earth oxides.

등록특허공보 제10-1957927호 (2019.03.07.)Registered Patent Publication No. 10-1957927 (2019.03.07.)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 첫번째 해결하고자 하는 과제는 발광 휘도가 우수하며, 다양한 사용 환경에서 안정성을 가질 수 있는 UC 형광체 입자의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention has been devised to solve the above problems, and the first problem to be solved by the present invention relates to a method of manufacturing UC phosphor particles having excellent luminance and stability in various use environments.

본 발명의 두번째 해결하고자 하는 과제는 상술한 UC 형광체 입자 제조를 위한 조성물 및 그로부터 제조된 UC 형광체 입자를 제공하는 것이다.A second problem to be solved by the present invention is to provide a composition for preparing the above-described UC phosphor particles and UC phosphor particles prepared therefrom.

본 발명의 세번째 해결하고자 하는 과제는 상술한 UC 형광체가 적용되어 우수한 발광 휘도를 갖는 보안성 발광 잉크를 제공하는 것이다.The third problem to be solved by the present invention is to provide a security light emitting ink having excellent light emitting luminance to which the above-described UC phosphor is applied.

상술한 첫번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 (1) 홀뮴(Holmium, Ho), 툴륨(Thulium, Tm) 및 어븀(Erbium, Er) 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 활성제(activator) 전구체; 이터븀(Ytterbium, Yb) 금속을 포함하는 부활성제(co-activator) 전구체; 및 제1 금속인 지르코늄(Zirconium, Zr)과 제2 금속인 란타넘(Lanthanum, La), 세륨(Cerium, Ce), 가돌리늄(Gadolinium, Gd), 이트륨(Yttrium, Y) 및 루테튬(Lutetium, Lu) 중 선택된 하나 이상의 희토류 금속(rare earth metal)을 포함하는 모체(host) 전구체를 포함하는 UC 형광체 조성물을 제조하는 단계;In order to solve the first problem described above, the present invention provides (1) an activator precursor comprising at least one metal selected from among holmium (Holmium, Ho), thulium (Tm) and erbium (Erbium, Er); a co-activator precursor comprising a ytterbium (Yb) metal; and zirconium (Zr) as a first metal and lanthanum (La), cerium (Cerium, Ce), gadolinium (Gd), yttrium (Y) and lutetium (Lutetium, Lu) as the second metal ) preparing a UC phosphor composition comprising a host precursor including at least one selected from among rare earth metals;

(2) 상기 UC 형광체 조성물을 분무하여 액적을 형성하는 단계; 및(2) forming droplets by spraying the UC phosphor composition; and

(3) 상기 액적을 열분해 및 건조하여 전구체 분말을 형성하는 단계;를 포함하는 UC 형광체 입자 제조방법을 제공한다.(3) pyrolyzing and drying the droplets to form a precursor powder; provides a method for producing UC phosphor particles comprising a.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 제조방법은, 상기 제1 금속의 몰분율이 상기 제2 금속의 몰분율보다 클 수 있다.In the manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention, the mole fraction of the first metal may be greater than the mole fraction of the second metal.

본 발명의 바람직한 일실시예 따른 제조방법은, 상기 (3) 단계 이후에 (4) 상기 전구체 분말을 700℃ 내지 1,300℃의 온도로 후열처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention may further include; after step (3), (4) post-heating the precursor powder at a temperature of 700°C to 1,300°C.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 제조방법은, 상기 (1) 단계에서는 상기 제2 금속이 5 mol% 내지 20 mol%의 몰 분율로 포함되도록 첨가하는 것일 수 있다.In the manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention, in step (1), the second metal may be added in a molar fraction of 5 mol% to 20 mol%.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 활성제 및 부활성제는 상기 업컨버전 형광체 입자 조성물에 각각 0.1 mol% 내지 0.5 mol% 및 1 mol% 내지 20 mol%의 함량으로 포함되도록 첨가할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the activator and the deactivator may be added to the upconversion phosphor particle composition in an amount of 0.1 mol% to 0.5 mol% and 1 mol% to 20 mol%, respectively.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 (3) 단계에서 열분해는 700℃ 내지 1,100℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the thermal decomposition in step (3) may be performed at a temperature in the range of 700 ℃ to 1,100 ℃.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 제1 금속은 지르코늄의 질산염(nitrate) 또는 황산염(sulfate)의 형태로 포함되는 것일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the first metal may be included in the form of a nitrate or sulfate of zirconium.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 (1) 단계에서 상기 활성용액에 융제(flux)를 더 첨가하여 UC 형광체 조성물을 제조할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, a UC phosphor composition may be prepared by further adding a flux to the active solution in step (1).

상기 융제는 Li2CO3, LiCl, LiNO3, Na2CO3, NaHCO3 및 KCl 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있으며, 상기 (1) 단계에서는 바람직하게는 상기 융제를 상기 UC 형광체 입자 조성물에 0.5 wt% 내지 5 wt%의 함량으로 첨가할 수 있다.The flux may be at least one selected from Li 2 CO 3 , LiCl, LiNO 3 , Na 2 CO 3 , NaHCO 3 and KCl, and in step (1), the flux is preferably added to the UC phosphor particle composition by 0.5 wt. % to 5 wt% may be added.

또한, 상술한 두번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 제1 금속인 지르코늄과 제2 금속인 란타넘, 세륨, 가돌리늄, 이트륨 및 루테튬 중 선택된 하나 이상의 희토류 금속을 포함하는 모체 전구체; 홀뮴, 툴륨 및 어븀 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 활성제; 및 이터븀 금속을 포함하는 부활성제;를 포함하는 UC 형광체 조성물을 제공한다.In addition, in order to solve the second problem described above, the present invention provides a mother precursor comprising at least one rare earth metal selected from zirconium as a first metal and lanthanum, cerium, gadolinium, yttrium and lutetium as a second metal; an active agent comprising at least one metal selected from holmium, thulium and erbium; and a deactivator including a ytterbium metal; provides a UC phosphor composition comprising.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 제2 금속은 5 mol% 내지 20 mol%의 몰 분율로 포함되어 있을 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the second metal may be included in a mole fraction of 5 mol% to 20 mol%.

상술한 본 발명의 형광체 조성물을 분무열분해(spray pyrolysis)하여 UC 형광체 입자가 제조되며, 상기 UC 형광체 입자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.UC phosphor particles are prepared by spray pyrolysis of the phosphor composition of the present invention as described above, and the UC phosphor particles include a compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

(Zr1-x-y-zAxYbyMz)O2 (Zr 1-xyz A x Yb y M z )O 2

상기 화학식 1에서, A는 홀뮴, 툴륨 및 어븀 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 활성제, M은 란타넘, 세륨, 가돌리늄, 이트륨 및 루테튬 중에서 선택된 하나 이상의 희토류 금속을 포함하는 제2 금속이며, 0.001≤x≤0.005, 0.01≤y≤0.2, 0.05≤z≤0.2이다.In Formula 1, A is an activator comprising at least one metal selected from holmium, thulium, and erbium, M is a second metal comprising at least one rare earth metal selected from lanthanum, cerium, gadolinium, yttrium and lutetium, and 0.001≤ x≤0.005, 0.01≤y≤0.2, and 0.05≤z≤0.2.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 업컨버전 형광체 입자는 900℃ 내지 1,300℃의 온도에서 모체의 결정구조가 정방정계(tetragonal)일 수 있다.In the upconversion phosphor particles according to a preferred embodiment of the present invention, the crystal structure of the matrix may be tetragonal at a temperature of 900°C to 1,300°C.

상술한 네번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상술한 UC 형광체 입자를 포함하는 보안성 발광 잉크를 제공한다.In order to solve the fourth problem described above, the present invention provides a security light emitting ink comprising the above-described UC phosphor particles.

본 발명에 따른 업컨버전 형광체 입자는 우수한 발광 휘도를 갖고, 다운컨버전 형광체 입자에 비하여 광원 및 재료에 일반인이 접근하기 어려워 위조 방지 기술로 활용하기 용이하며, 고온에서도 우수한 발광휘도가 유지되어 온도에 따른 안정성이 뛰어난 장점이 있다.The up-conversion phosphor particles according to the present invention have excellent luminescence luminance, and compared to down-conversion phosphor particles, it is easy to use as an anti-counterfeiting technology because it is difficult for the general public to access the light source and material. It has the advantage of excellent stability.

본 발명에 따른 발광 잉크는 온도에 관계 없이 우수한 발광 휘도를 나타내며, 위조, 변조 방지 잉크로 사용될 수 있다.The light emitting ink according to the present invention exhibits excellent light emission luminance regardless of temperature, and can be used as an anti-counterfeiting and tampering ink.

도 1은 종래의 위조방지 기술의 예시로서 (a) 보이지 않는 잉크, (b) 홀로그램, 및 (c) RFID를 도시하고 있다.
도 2는 활성제를 포함하는 형광체의 개략도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 업컨버전 형광체의 발광 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 업컨버전 형광체 입자의 제조방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 업컨버전 형광체 입자의 모체가 온도 변화에 따라서 갖는 결정 구조들을 나타낸 것이다.
도 6은 ZrO2를 포함하는 업컨버전 형광체의 후열처리 온도를 달리 하여 측정한 (a) 광발광(PL) 스펙트럼 및 (b) XRD 패턴 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 세륨의 함량을 달리 포함하는 모체를 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 업컨버전 형광체 입자의 PL 스펙트럼(좌) 및 XRD 패턴 그래프(우)를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 업컨버전 형광체 입자와 세륨이 첨가되지 않은 ZrO2 업컨버전 형광체 입자의 PL 스펙트럼을 비교 도시한 것이다.
도 9는 후열처리의 온도를 달리 하여 제조한 본 발명의 일실시예에 따른 업컨버전 형광체 입자의 PL 스펙트럼(좌) 및 XRD 패턴 그래프(우)를 나타낸 도면이다.
도 10은 세륨을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 ZrO2 업컨버전 형광체 입자의 처리온도에 따른 발광 특성을 비교 도시한 그래프이다.
도 11은 Ho3+ 이온의 함량을 0.2 mol%로 고정하였을 때, Yb3+ 이온의 함량에 따른 ZrO2 업컨버전 형광체 입자의 발광 특성을 비교 도시한 PL 스펙트럼 그래프이다.
도 12는 Yb3+ 이온의 함량을 2 mol%로 고정하였을 때, Ho3+ 이온의 함량에 따른 ZrO2 업컨버전 형광체 입자의 발광 특성을 비교 도시한 PL 스펙트럼 그래프이다.
도 13은 ZrO1.87 입방정계 업컨버전 형광체 입자에서 Li2CO3의 함량에 따른 발광 휘도의 차이를 나타내는 PL 스펙트럼(좌), XRD 패턴(우)을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 업컨버전 형광체 입자를 촬영한 사진으로서, (a) (Zr, Ce)O2:Ho3+/Yb3+, (b) (Zr, Ce)O2:Ho3+/Yb3+ 및 Li2CO3를 각각 나타낸다.
도 15는 Li2CO3 함량을 달리하는 본 발명의 일실시예에 따른 업컨버전 형광체 입자의 발광 특성을 비교 도시한 PL 스펙트럼 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 업컨버전 형광체 입자를 적용한 발광 잉크를 마커로 하여 제품에 적용한 뒤 (a) 980 nm IR 레이저를 쪼이기 전 (b) 980 nm IR 레이저를 쪼였을 때의 모습을 각각 촬영한 것이다.
1 shows (a) invisible ink, (b) hologram, and (c) RFID as examples of conventional anti-counterfeiting technology.
2 is a diagram showing a schematic diagram of a phosphor including an activator.
3 is a diagram schematically illustrating a light emitting mechanism of an upconversion phosphor according to an embodiment of the present invention.
4 is a view schematically illustrating a method of manufacturing upconverted phosphor particles according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing the crystal structures of the parent body of the upconverted phosphor particle according to an embodiment of the present invention according to a change in temperature.
6 is a view showing (a) photoluminescence (PL) spectrum and (b) XRD pattern graphs measured at different post-heat treatment temperatures of an upconversion phosphor containing ZrO 2 .
7 is a view showing a PL spectrum (left) and an XRD pattern graph (right) of an upconverted phosphor particle according to an embodiment of the present invention having a matrix having a different content of cerium.
FIG. 8 shows a comparison of PL spectra of upconverted phosphor particles and ZrO 2 upconverted phosphor particles to which cerium is not added according to an embodiment of the present invention.
9 is a view showing a PL spectrum (left) and an XRD pattern graph (right) of an upconverted phosphor particle according to an embodiment of the present invention prepared by changing the post-heat treatment temperature.
FIG. 10 is a graph showing the comparison of luminescence characteristics according to the treatment temperature of ZrO 2 upconversion phosphor particles with and without cerium.
11 is a PL spectrum graph showing the luminescence characteristics of ZrO 2 upconversion phosphor particles according to the Yb 3+ ion content when the Ho 3+ ion content is fixed at 0.2 mol%.
FIG. 12 is a PL spectrum graph comparing the emission characteristics of ZrO 2 upconversion phosphor particles according to the content of Ho 3+ ions when the content of Yb 3+ ions is fixed at 2 mol%.
13 is a view showing a PL spectrum (left) and an XRD pattern (right) showing a difference in emission luminance according to a content of Li 2 CO 3 in ZrO 1.87 cubic upconversion phosphor particles.
14 is a photograph of upconverted phosphor particles according to the present invention, (a) (Zr, Ce)O 2 :Ho 3+ /Yb 3+ , (b) (Zr, Ce)O 2 :Ho 3+ /Yb 3+ and Li 2 CO 3 , respectively.
15 is a PL spectrum graph showing luminescence characteristics of upconverted phosphor particles according to an embodiment of the present invention having different Li2CO3 contents.
16 is a view illustrating a case of (a) irradiating a 980 nm IR laser after (a) irradiating a 980 nm IR laser (b) irradiating a 980 nm IR laser after applying a luminescent ink to which an upconversion phosphor particle according to an embodiment of the present invention is applied to a product Each was photographed.

본 발명에서, “몰 분율”이라는 말의 의미는 하기 화학식 1로 나타내어지는 화합물에서 산소(O)를 제외한 금속 원자 간의 몰분율을 의미한다.In the present invention, the term “mol fraction” means the mole fraction between metal atoms excluding oxygen (O) in the compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

(Zr1-x-y-zAxYbyMz)O2 (Zr 1-xyz A x Yb y M z )O 2

상기 화학식 1에서 A는 Ho, Tm 및 Er 중에서 선택된 하나 이상이며, M은 La, Ce, Gd, Y 및 Lu 중에서 선택된 하나 이상이며, 0.001≤x≤0.005, 0.01≤y≤0.2, 0.05≤z≤0.2이다.In Formula 1, A is at least one selected from Ho, Tm, and Er, M is at least one selected from La, Ce, Gd, Y and Lu, and 0.001≤x≤0.005, 0.01≤y≤0.2, 0.05≤z≤ is 0.2.

본 발명에서, "분무 용액"은 분무열분해를 통하여 UC 형광체를 제조하기 위한 용액으로, UC 형광체 조성물과 동일하다.In the present invention, "spray solution" is a solution for producing a UC phosphor through spray pyrolysis, and is the same as the UC phosphor composition.

본 발명에서, "전구체 분말"은 UC 형광체 조성물을 분무열분해를 통하여 제조된 분말로서, 후열처리를 통하여 결정을 성장시키기 전의 형광체 분말을 의미한다.In the present invention, "precursor powder" is a powder prepared through spray pyrolysis of the UC phosphor composition, and means a phosphor powder before crystal growth through post-heat treatment.

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

상술한 바와 같이 종래의 형광체는 다운컨버전(Down-conversion, DC) 형광체이거나, 희토류를 모체로 사용하여 제조 비용이 많이 들거나 온도에 따라 발광특성이 약해지는 문제가 있었다. 이에, 본 발명은 홀뮴(Holmium, Ho), 툴륨(Thulium, Tm) 및 어븀(Erbium, Er) 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 활성제(activator) 전구체; 이터븀(Ytterbium, Yb) 금속을 포함하는 부활성제(co-activator) 전구체; 및 제1 금속인 지르코늄(Zirconium, Zr)과 제2 금속인 란타넘(Lanthanum, La), 세륨(Cerium, Ce), 가돌리늄(Gadolinium, Gd), 이트륨(Yttrium, Y) 및 루테튬(Lutetium, Lu) 중 선택된 하나 이상의 희토류 금속(rare earth metal)을 포함하는 모체(host) 전구체를 포함하는 업컨버전(up-conversion, UC) 형광체 입자 조성물을 제조하는 단계; (2) 상기 UC 형광체 입자 조성물을 분무하여 액적을 형성하는 단계; 및 (3) 상기 액적을 열분해 및 건조하여 전구체 분말을 형성하는 단계;를 포함하는 UC 형광체 입자 제조방법을 제공하여 이 같은 문제의 해결을 도모하였다.As described above, the conventional phosphor is a down-conversion (DC) phosphor, or has a problem in that manufacturing cost is high by using a rare earth as a matrix, or the light emitting characteristic is weakened according to temperature. Accordingly, the present invention provides an activator precursor comprising at least one metal selected from holmium (Holmium, Ho), thulium (Tm) and erbium (Erbium, Er); a co-activator precursor comprising a ytterbium (Yb) metal; and zirconium (Zr) as a first metal and lanthanum (La), cerium (Cerium, Ce), gadolinium (Gd), yttrium (Y) and lutetium (Lutetium, Lu) as the second metal ) preparing an up-conversion (UC) phosphor particle composition comprising a host precursor including at least one selected from among rare earth metals; (2) spraying the UC phosphor particle composition to form droplets; and (3) thermally decomposing and drying the droplets to form a precursor powder.

바람직하게는 상기 (1) 단계는 하기의 두 단계:Preferably, step (1) comprises the following two steps:

(1-1) 상기 활성제 전구체, 및 상기 부활성제 전구체를 포함하는 활성 용액(activator solution)을 제조하는 단계; (1-2) 상기 활성용액에 상기 모체 전구체를 첨가하여 상기 UC 형광체 입자 조성물을 제조하는 단계;를 포함하여 수행되는 것일 수 있다.(1-1) preparing an activator solution comprising the activator precursor and the deactivator precursor; (1-2) adding the parent precursor to the active solution to prepare the UC phosphor particle composition;

이하, 각 단계별로 설명한다.Hereinafter, each step will be described.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 UC 형광체 입자의 제조방법을 단계별로 나타낸 모식도이다.4 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing UC phosphor particles according to an embodiment of the present invention step by step.

도 4를 참조하면, 모체 전구체(모체), 융제 및 활성제 전구체(활성제 전구체와 부활성제 전구체)를 포함하는 UC 형광체 조성물(분무 용액)을 제조하는 단계; 상기 UC 형광체 조성물을 분무열분해하는 단계; 및 분무열분해에 의하여 얻어진 전구체 분말을 후열처리(열처리)하는 단계;를 포함하여 UC 형광체 입자를 제조할 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 4 , preparing a UC phosphor composition (spray solution) including a parent precursor (parent), a flux, and an activator precursor (activator precursor and deactivator precursor); spray pyrolyzing the UC phosphor composition; and post-heat treatment (heat treatment) of the precursor powder obtained by spray pyrolysis; it can be seen that UC phosphor particles can be prepared.

(1) 단계에서는 먼저 모체 전구체, 활성제 전구체와 부활성제 전구체를 포함하는 활성 용액을 제조한다. 바람직하게는, 상기 (1) 단계는 하기의 두 단계를 포함한다.In step (1), first, an active solution including a parent precursor, an activator precursor, and a deactivator precursor is prepared. Preferably, step (1) includes the following two steps.

(1-1) 활성제 및 상기 부활성제를 포함하는 활성용액(activator solution)을 제조하는 단계; 및(1-1) preparing an activator solution comprising an active agent and the sub-active agent; and

(1-2) 상기 활성용액에 상기 모체 전구체를 첨가하여 상기 업컨버전 형광체 입자 조성물을 제조하는 단계.(1-2) preparing the upconverted phosphor particle composition by adding the parent precursor to the active solution.

상기 모체 전구체는 제1 금속인 지르코늄과 제2 금속인 란타넘(Lanthanum, La), 세륨(Cerium, Ce), 가돌리늄(Gadolinium, Gd), 이트륨(Yttrium, Y) 및 루테튬(lutetium, Lu) 중에서 선택된 하나 이상의 희토류 금속을 포함한다. 여기서 바람직하게 제1 금속의 몰 분율이 제2 금속의 몰 분율보다 크다. 즉, 상기 제1 금속인 지르코늄의 몰 분율이 UC 형광체 조성물에 포함된 금속 가운데 가장 크기 때문에 종래 희토류 금속을 기반으로 하는 업컨버전 형광체 입자에 비하여 낮은 가격으로 생산할 수 있는 장점이 있다.The parent precursor is a first metal of zirconium and a second metal of lanthanum (Lanthanum, La), cerium (Cerium, Ce), gadolinium (Gadolinium, Gd), yttrium (Yttrium, Y) and lutetium (lutetium, Lu) one or more selected rare earth metals. Here preferably the mole fraction of the first metal is greater than the mole fraction of the second metal. That is, since the molar fraction of zirconium, which is the first metal, is the largest among metals included in the UC phosphor composition, there is an advantage in that it can be produced at a lower price than conventional upconversion phosphor particles based on rare earth metals.

상기 제1 금속은 바람직하게는 지르코늄의 질산염(nitrate) 또는 황산염(sulfate)의 형태로 포함되는 것일 수 있다. 즉, 상기 제1 금속은 Zr(NO3)4 또는 Zr(SO4)2의 형태로 포함될 수 있다. 좀 더 바람직하게는 상기 지르코늄 황산염의 수화물을 포함할 수 있다. 즉, Zr(SO4)2·4H2O를 사용할 수 있다.The first metal may be preferably included in the form of a nitrate or sulfate of zirconium. That is, the first metal is Zr(NO 3 ) 4 Or Zr(SO 4 ) 2 It may be included in the form of. More preferably, it may include a hydrate of the zirconium sulfate. That is, Zr(SO 4 ) 2 ·4H 2 O may be used.

상기 제2 금속은 바람직하게는 세륨일 수 있다. 세륨은 바람직하게는 질산염(nitrate) 또는 질산염의 수화물의 형태로 이용될 수 있다. 즉, Ce(NO3)3·6H2O의 형태로 투입될 수 있다.The second metal may preferably be cerium. Cerium is preferably used in the form of nitrate or a hydrate of nitrate. That is, Ce(NO 3 ) 3 ·6H 2 O may be added in the form.

또한, 상술한 제2 금속을 제1 금속과 함께 사용함으로써 지르코늄계 UC 형광체 입자의 고온에서의 안정성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 고온에서 업컨버전 발광 특성이 없는 결정구조로 변하게 되는 지르코늄 산화물이 세륨이 포함된 경우 약 1,100℃ 내지 1,300℃의 고온에서도 결정구조의 변화가 일어나지 않아 고온에서의 업컨버전 발광 효능이 유지될 수 있다. In addition, by using the above-described second metal together with the first metal, it is possible to improve the stability of the zirconium-based UC phosphor particles at a high temperature. For example, when cerium is included in zirconium oxide, which changes to a crystal structure without upconversion light-emitting properties at high temperatures, the crystal structure does not change even at a high temperature of about 1,100°C to 1,300°C, so the upconversion light-emitting efficiency at high temperature is maintained can be

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 금속은 5 mol% 내지 20 mol%의 몰 분율을 가질 수 있다. 상기 제2 금속의 몰 분율이 5 mol% 미만인 경우, 고온에서 지르코늄 산화물 모체가 결정구조가 변화하여 UC 발광 특성을 상실하게 된다.According to an embodiment of the present invention, the second metal may have a mole fraction of 5 mol% to 20 mol%. When the mole fraction of the second metal is less than 5 mol%, the crystal structure of the zirconium oxide matrix changes at a high temperature, and thus the UC light-emitting properties are lost.

도 5는 ZrO2가 온도에 따라 가질 수 있는 결정 구조를 나타낸 도면이다. 이 중, 입방정계(cubic)와 정방정계(tetragonal) 결정구조에서는 UC 발광 현상이 일어날 수 있지만, ZrO2가 약 1,200℃ 이상의 고온이 되면 단사정계(monoclinic) 구조로 상변태(phase transformation)가 일어나게 되고, 단사정계 구조에서는 UC 발광 특성이 없다.5 is a diagram illustrating a crystal structure that ZrO 2 may have depending on temperature. Among them, UC light emission may occur in cubic and tetragonal crystal structures, but when ZrO 2 is at a high temperature of about 1,200° C. or higher, a phase transformation into a monoclinic structure occurs. , there is no UC emission characteristic in the monoclinic structure.

상술한 것과 같이 제2 금속의 몰 분율이 5 mol% 미만이 되면 1,200℃의 고온에서 모체의 결정 구조가 정방정계에서 단사정계로 상변태하고 UC 발광 특성을 상실하게 된다.As described above, when the mole fraction of the second metal is less than 5 mol%, the crystal structure of the parent undergoes a phase transformation from a tetragonal to a monoclinic at a high temperature of 1,200° C., and the UC emission characteristics are lost.

반대로 제2 금속의 몰 분율이 20 mol%를 초과하게 되면 희토류 금속 사용량의 증가로 제조 비용이 많이 필요하게 된다.Conversely, when the mole fraction of the second metal exceeds 20 mol%, the production cost is high due to an increase in the amount of rare earth metal used.

상기 활성제 전구체는 홀뮴, 툴륨 및 어븀 중에서 선택된 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는 홀뮴의 산화물을 포함하는 것일 수 있다. 홀뮴의 산화물로는 Ho2O3 있다. 홀뮴은 UC 형광체 입자 내에서 Ho3+의 양이온 형태로 ZrO2의 결정격자 내에서 Zr에 치환되어 활성제로 기능한다.The activator precursor may include one or more metal oxides selected from holmium, thulium, and erbium. Preferably, it may include an oxide of holmium. As an oxide of holmium, Ho 2 O 3 is have. Holmium is substituted for Zr in the crystal lattice of ZrO 2 in the cation form of Ho 3+ in the UC phosphor particles and functions as an activator.

활성제는 형광체 입자의 대부분을 구성하는 물질인 모체(Host) 내에서 양이온 자리에 치환되어 모체로부터 에너지를 받아 여기되었다가 바닥상태로 떨어지며 에너지를 방출하며, 발광 과정에 관여하는 에너지를 결정하여 발광색과 발광 효율에 영향을 미친다.The activator is substituted at the cation site in the host, which is the material that constitutes most of the phosphor particles, receives energy from the parent, is excited, and then falls to the ground state and emits energy. It affects the luminous efficiency.

부활성제는 형광체 입자의 발광 효율을 향상시키기 위하여 활성제와 함께 첨가되는 물질로서 활성제와 마찬가지로 에너지를 받아 여기되었다가 바닥 상태로 떨어지면서 활성제로 에너지를 전달하는 역할을 한다. 상기 부활성제의 전구체는 바람직하게는 이터븀의 산화물을 포함할 수 있다. 이터븀의 산화물로는 Yb2O3가 있다. 이터븀은 UC 형광체 입자의 모체 내에서 Yb3+의 양이온 형태로 부활성제로 기능한다.The sub-activator is a material added together with the activator to improve the luminous efficiency of the phosphor particles. Like the activator, the sub-activator is excited by receiving energy and then falls to the ground state and transfers energy to the activator. The precursor of the deactivator may preferably include an oxide of ytterbium. As an oxide of ytterbium, there is Yb 2 O 3 . Ytterbium functions as a deactivator in the cation form of Yb 3+ in the matrix of UC phosphor particles.

도 2는 활성제를 함유하는 형광체 입자의 격자 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2에서 H는 모체(Host)를 나타내고, A는 활성제(Activator)를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 모체 격자 내의 활성제가 여기되었다가 빛을 방출하는 것을 알 수 있다.2 is a diagram schematically showing a lattice structure of phosphor particles containing an activator. In FIG. 2, H represents the host, and A represents the activator. Referring to FIG. 2 , it can be seen that the activator in the parent lattice is excited and then emits light.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 UC 형광체 입자에서 활성제 및 부활성제가 광자를 얻어 여기되었다가 바닥 상태로 떨어지며 발광하는 에너지 흐름을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 2F7/2 상태로 바닥 상태에 있던 Yb3+ 이온이 광원으로부터 에너지를 받아 2F5/2 상태로 여기되었다가 이 에너지를 Ho3+ 이온으로 전달하여, 5I8 바닥 상태에 있던 Ho3+ 이온이 5I6, 5F5, 5F4 5S2 등의 에너지 준위로 여기된 후, 다시 안정화하면서 녹색과 적색 등 파장의 빛을 방출하는 메커니즘이 나타나 있다.3 is a view showing the energy flow in which the activator and the deactivator are excited by obtaining photons in the UC phosphor particles according to a preferred embodiment of the present invention, and then fall to the ground state and emit light. Referring to Figure 3, a Yb 3+ ion was in the ground state to the 2 F 7/2 state to receive energy from the light source was here 2 F 5/2 state to deliver the energy to Ho 3+ ions, 5 I 8 Ho 3+ ions in the ground state are excited to energy levels such as 5 I 6 , 5 F 5 , 5 F 4 5 S 2 , and then stabilize again and emit light of wavelengths such as green and red. .

상기 (1-1) 단계에서는 활성제와 부활성제를 용매로 용해하여 활성 용액(activator)을 제조한다.In step (1-1), an activator is prepared by dissolving an activator and a subactive agent in a solvent.

상기 활성 용액은 바람직하게는 활성제 및 부활성제는 산(acid)으로 녹인 수용액일 수 있다. 예를 들어, 상기 활성 용액은 활성제 및 부활성제를 질산(nitric acid)으로 녹인 수용액일 수 있다. 그러나, 산이 반드시 질산에 한정되는 것은 아니다.Preferably, the active solution may be an aqueous solution in which the active agent and the sub-active agent are dissolved in an acid. For example, the active solution may be an aqueous solution in which an active agent and a sub-active agent are dissolved in nitric acid. However, the acid is not necessarily limited to nitric acid.

예를 들어, 활성제로 Ho2O3, 부활성제로 Yb2O3를 사용하는 경우, 질산에 활성제와 부활성제를 녹여 활성제 수용액을 제조하는 경우, 그 반응식은 하기 반응식 1 및 반응식 2-2와 같다.For example, when using Ho 2 O 3 as an activator and Yb 2 O 3 as a sub-activator, when an activator aqueous solution is prepared by dissolving an activator and a sub-active agent in nitric acid, the reaction formulas are the following Reaction Schemes 1 and 2-2 same.

[반응식 1][Scheme 1]

Ho2O3 + 6HNO3 → 2Ho(NO3)3 + 3H2OHo 2 O 3 + 6HNO 3 → 2Ho(NO 3 ) 3 + 3H 2 O

[반응식 2][Scheme 2]

Yb2O3 + 6HNO3 → 2Yb(NO3)3 + 3H2OYb 2 O 3 + 6HNO 3 → 2Yb(NO 3 ) 3 + 3H 2 O

상기 반응식 1 및 반응식 2의 반응은 모두 발열 반응이므로 바람직하게는 증류수(distilled water)를 함께 첨가하여 냉각하면서 용해시키는 것이 좋다. Since the reactions of Schemes 1 and 2 are both exothermic reactions, it is preferable to dissolve them while cooling by adding distilled water together.

다음으로, 상기 (1-2) 단계에서는 위의 (1-1) 단계에서 제조한 활성 용액에 모체 전구체 및 융제 등 기타 첨가제를 더 첨가하여 업컨버전 형광체 입자 조성물을 제조한다. 상기 조성물은 바람직하게는 수용액일 수 있다.Next, in step (1-2), an upconversion phosphor particle composition is prepared by further adding other additives such as a parent precursor and a flux to the active solution prepared in step (1-1) above. The composition may preferably be an aqueous solution.

이 때 상기 조성물에서 상기 활성제 및 부활성제가 각각 0.1 mol% 내지 0.5 mol%, 1 mol% 내지 20 mol%의 몰 분율을 갖도록 포함시킬 수 있다.In this case, the active agent and the sub-active agent in the composition may be included so as to have a mole fraction of 0.1 mol% to 0.5 mol%, 1 mol% to 20 mol%, respectively.

활성제의 몰 분율이 0.1 mol% 미만인 경우, 부활성제가 전달하는 에너지를 모두 받지 못하여 UC 형광체 입자의 발광 휘도가 낮아지게 되며, 활성제의 몰 분율이 0.5 mol% 초과로 과도하게 높은 경우, 활성제간 비발광 에너지 전달에 의한 농도소강 현상이 발생하여 휘도가 낮아지게 되는 문제점이 있다.When the molar fraction of the active agent is less than 0.1 mol%, all the energy transmitted by the deactivator is not received, and the luminescence luminance of the UC phosphor particles is lowered. When the molar fraction of the active agent is excessively high than 0.5 mol%, the ratio between active agents There is a problem in that the luminance is lowered due to the occurrence of a concentration decay phenomenon due to the transfer of luminescent energy.

또한, 부활성제의 몰 분율이 5 mol% 미만인 경우, 활성제로 에너지를 충분히 전달하지 못하여 휘도가 낮아지게 되고, 반대로 농도가 20 mol%를 초과하여 지나치게 높은 경우에는 농도소강 (흡수한 빛을 활성제로전달하기 보다는 부활성제 간 비발광 에너지 전달됨) 현상이 발생하여 발광 휘도가 낮아지게 되는 문제점이 있다.Also, the molar fraction of the deactivator When the concentration is less than 5 mol%, energy cannot be sufficiently transferred to the activator and the luminance is lowered. Conversely, when the concentration exceeds 20 mol% and the concentration is too high, the concentration decreases (non-luminescence between sub-activators rather than transfer of absorbed light to the active agent) There is a problem in that the luminance of light is lowered due to the energy transfer) phenomenon.

활성제의 몰 분율은 바람직하게는 0.15 mol% 내지 0.25 mol%일 수 있고, 부활성제의 농도는 바람직하게는 10 mol% 내지 15 mol%일 수 있다.The molar fraction of the active agent may preferably be between 0.15 mol% and 0.25 mol%, and the concentration of the co-active agent may preferably be between 10 mol% and 15 mol%.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 UC 형광체 조성물에 융제(flux)를 더 첨가할 수 있다. 융제는 모체, 활성제 및 부활성제 물질들의 융점을 낮추어 열분해 및 모체 격자 내에 활성제와 부활성제가 자리잡는 것을 도와 준다.According to a preferred embodiment of the present invention, a flux (flux) may be further added to the UC phosphor composition. Flux lowers the melting points of the parent, active and deactivator materials, helping pyrolysis and positioning of the active and deactivator within the matrix lattice.

상기 융제는 바람직하게는 Li2CO3, LiCl, LiNO3, Na2CO3, NaHCO3 및 KCl 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 Li2CO3일 수 있다.The flux may be preferably at least one selected from Li 2 CO 3 , LiCl, LiNO 3 , Na 2 CO 3 , NaHCO 3 and KCl, and more preferably Li 2 CO 3 .

상기 융제는 UC 형광체 조성물에 바람직하게는 0.5 wt% 내지 5 wt%의 함량으로 첨가할 수 있다. 만일 융제의 함량이 0.5 wt% 미만인 경우, 발광 휘도 개선 효과가 낮을 수 있다. 그러나 융제의 함량이 5 wt%를 넘는 경우는 후열처리 과정에서 과도한 입자의 성장을 유도하여 분말 특성과 발광 휘도를 저하시킬 수 있다. The flux may be preferably added to the UC phosphor composition in an amount of 0.5 wt% to 5 wt%. If the content of the flux is less than 0.5 wt%, the effect of improving luminance of light emission may be low. However, when the content of the flux exceeds 5 wt%, excessive particle growth may be induced in the post-heat treatment process, thereby degrading powder properties and luminescence luminance.

이와 같이 제조된 UC 형광체 조성물은 분무열분해 과정을 통하여 UC 형광체 입자로 제조될 수 있으며, 그 과정은 (2) 상기 UC 형광체 조성물을 분무하여 액적을 형성하는 단계; 및 (3) 상기 액적을 열분해 및 건조하여 전구체 분말을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다.The thus-prepared UC phosphor composition can be prepared into UC phosphor particles through a spray pyrolysis process, the process comprising the steps of (2) spraying the UC phosphor composition to form droplets; and (3) thermally decomposing and drying the droplets to form a precursor powder.

분무열분해 장치는 바람직하게는 초음파 진동자를 사용하여 액적을 발생시키는 액적 발생부, 고온의 에너지로 열분해가 일어나는 소성로 및 건조되어 생성된 입자가 포집되는 포집부를 포함한다.The spray pyrolysis apparatus preferably includes a droplet generating unit that generates droplets using an ultrasonic vibrator, a kiln in which thermal decomposition occurs with high-temperature energy, and a collecting unit in which dried particles are collected.

열분해 과정에서 장치가 고온으로 유지되므로 냉각수를 계속하여 액적 발생부의 진동자 주위에 흘려주는 것이 바람직하며, 액적 발생부에서 발생된 액적의 원활한 흐름을 위하여 약 30 L/min 내지 100 L/min의 공기를 흘려줄 수 있다.Since the device is maintained at a high temperature during the pyrolysis process, it is preferable to continuously flow the cooling water around the vibrator of the droplet generator. For smooth flow of the droplets generated in the droplet generator, air at about 30 L/min to 100 L/min can spill

바람직하게는 상기 열분해는 700℃ 내지 1,100℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.Preferably, the thermal decomposition may be performed at a temperature in the range of 700 °C to 1,100 °C.

본 발명의 바람직한 일실시예 따른 제조방법은, 상기 (3) 단계 이후에 (4) 상기 전구체 분말을 700℃ 내지 1,300℃의 온도로 후열처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 후열처리 단계를 거치면서 UC 형광체 입자의 결정 크기가 성장하게 되며, 발광 휘도에 영항을 미치게 된다. The manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention may further include; after step (3), (4) post-heating the precursor powder at a temperature of 700°C to 1,300°C. The crystal size of the UC phosphor particles grows through such a post-heat treatment step, which affects the luminance of light emission.

후열처리 온도가 700℃ 미만인 경우, UC 형광체 입자의 결정 성장이 충분히 일어나지 않아 발광 휘도가 낮아지게 되며, 후열처리 온도가 1,300℃를 넘는 경우, 휘도가 낮은 결정구조가 형성되거나 불순물 상이 형성되어 UC 형광체 입자의 발광 휘도가 감소할 수 있다.When the post-heat treatment temperature is less than 700°C, crystal growth of the UC phosphor particles does not occur sufficiently, resulting in low luminance, and when the post-heat treatment temperature exceeds 1,300°C, a crystal structure with low luminance or an impurity phase is formed to form a UC phosphor The emission luminance of the particles may decrease.

바람직하게는 상기 후열처리 온도는 900 내지 1,300℃일 수 있다.Preferably, the post-heat treatment temperature may be 900 to 1,300 °C.

이하에서는, 상술한 제조방법에 사용되는 UC 형광체 조성물에 대하여 설명한다.Hereinafter, the UC phosphor composition used in the above-described manufacturing method will be described.

본 발명은 제1 금속인 지르코늄과 제2 금속인 란타넘, 세륨, 가돌리늄, 이트륨 및 루테튬 중 선택된 하나 이상의 희토류 금속을 포함하는 모체 전구체; 홀뮴, 툴륨 및 어븀 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 활성제 전구체; 및 이터븀을 포함하는 부활성제 전구체;를 포함하는 UC 형광체 입자 조성물을 제공한다.The present invention relates to a mother precursor comprising zirconium as a first metal and at least one rare earth metal selected from among lanthanum, cerium, gadolinium, yttrium and lutetium as a second metal; an activator precursor comprising at least one metal selected from holmium, thulium and erbium; and a deactivator precursor including ytterbium; provides a UC phosphor particle composition comprising.

여기서, 상기 제1 금속이 UC 형광체 조성물에 질산염, 황산염 또는 황산염의 수화물 형태로서 포함되는 것은 상술한 것과 동일한 내용이므로 설명을 생략하며, 상기 제2 금속이 바람직하게는 세륨이며, 세륨에 관한 설명 또한 상술한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략하고, 활성제 및 부활성제의 기능 및 몰 분율에 대한 설명 또한 생략한다.Here, the first metal is included in the UC phosphor composition in the form of nitrate, sulfate, or sulfate in the form of a hydrate is the same as that described above, so the description is omitted, and the second metal is preferably cerium, and the description of cerium also As described above, detailed descriptions are omitted, and descriptions of the functions and mole fractions of the active agent and the sub-active agent are also omitted.

또한, 상기 UC 형광체 조성물의 각 성분 간의 조성에 대한 설명 또한 상술한 바와 같으므로 설명을 생략한다.In addition, since the description of the composition between each component of the UC phosphor composition is also the same as that described above, a description thereof will be omitted.

이하, UC 형광체 조성물을 사용하여 상술한 방법으로 제조된 UC 형광체 입자에 대하여 설명한다.Hereinafter, UC phosphor particles prepared by the above-described method using the UC phosphor composition will be described.

본 발명은 상술한 본 발명의 형광체 조성물을 분무열분해(spray pyrolysis) 하여 제조된다. 상기 형광체 조성물은 상술한 제조방법의 (3) 단계에서 액적을 열분해 및 건조하여 제조된 전구체 분말의 각 입자를 구성하며, 바람직하게는 상기 (3) 단계에서 얻어진 전구체 분말을 후열처리하여 결정을 성장시킨 입자일 수 있다.The present invention is prepared by spray pyrolysis of the above-described phosphor composition of the present invention. The phosphor composition constitutes each particle of the precursor powder prepared by thermally decomposing and drying the droplets in step (3) of the above-described manufacturing method, and preferably, the precursor powder obtained in step (3) is post-heat-treated to grow crystals. It may be a made-up particle.

본 발명에 따른 UC 형광체 입자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.The UC phosphor particles according to the present invention include a compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

(Zr1-x-y-zAxYbyMz)O2 (Zr 1-xyz A x Yb y M z )O 2

상기 화학식 1에서, 상기 A는 홀뮴, 툴륨 및 어븀 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 활성제, M은 란타넘, 세륨, 가돌리늄, 이트륨 및 루테튬 중에서 선택된 하나 이상의 희토류 금속을 포함하는 제2 금속이며, 0.06≤x+y+z≤0.45이다.In Formula 1, A is an activator comprising at least one metal selected from holmium, thulium, and erbium, M is a second metal comprising at least one rare earth metal selected from lanthanum, cerium, gadolinium, yttrium and lutetium, and 0.06 ?x+y+z?0.45.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 화학식 1에서 x, y 및 z에 대하여 하기의 조건 1) 내지 3) 중 적어도 하나가 충족될 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, at least one of the following conditions 1) to 3) for x, y, and z in Formula 1 may be satisfied.

1) 0.001≤x≤0.0051) 0.001≤x≤0.005

2) 0.01≤y≤0.22) 0.01≤y≤0.2

3) 0.05≤z≤0.2.3) 0.05≤z≤0.2.

여기서, x, y 및 z는 각각 활성제의 몰 분율, 부활성제의 몰 분율 및 제2 금속의 몰 분율로서, 그 몰 분율 범위에 따른 효과는 이미 설명한 바와 같으므로 이하에서는 설명을 생략한다.Here, x, y and z are the molar fraction of the active agent, the molar fraction of the deactivator, and the mole fraction of the second metal, respectively, and the effects according to the molar fraction ranges are the same as described above, and thus descriptions thereof will be omitted below.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 UC 형광체 입자는 900℃ 내지 1,300℃의 온도에서 모체의 결정구조가 정방정계(tetragonal)일 수 있다. 본래 ZrO2는 1,100℃를 넘는 고온에서 결정 구조가 정방정계에서 단사정계(monoclinic)으로 변화하게 되며, 제2 금속의 몰분율인 z가 상기 범위 내에 있을 때, 이러한 상변태를 억제하여 업컨버전 발광 특성을 유지할 수 있으면서도 제조 시 비용을 절감할 수 있다. z가 0.05 미만인 경우 후열처리 공정에서 ZrO2의 결정구조가 단사정계로 변화하여 UC 발광 성능을 상실할 수 있다. 본 발명에 따른 UC 형광체 입자는 1,100℃ 내지 1,300℃의 온도에서도 모체의 결정구조가 정방정계를 유지하여 업컨버전 발광 성능을 유지할 수 있고, 발광 휘도를 상승시킬 수 있다. 이에 따라서 발광 잉크로 사용되어 위조방지 기술로 활용이 용이하다.In the UC phosphor particles according to a preferred embodiment of the present invention, the crystal structure of the matrix may be tetragonal at a temperature of 900°C to 1,300°C. Originally, ZrO 2 changes its crystal structure from tetragonal to monoclinic at a high temperature exceeding 1,100 ° C. When the mole fraction z of the second metal is within the above range, this phase transformation is suppressed to improve upconversion luminescent properties. It can be maintained while reducing manufacturing costs. When z is less than 0.05, the crystal structure of ZrO 2 may change to a monoclinic system in the post-heat treatment process, and thus the UC luminescence performance may be lost. In the UC phosphor particles according to the present invention, even at a temperature of 1,100° C. to 1,300° C., the crystal structure of the parent maintains a tetragonal system, thereby maintaining upconversion emission performance and increasing emission luminance. Accordingly, it is used as a luminescent ink and is easy to use as a counterfeit prevention technology.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 형광체 입자는 평균 입경(D50)이 0.6 μm 내지 1.5μm인 것일 수 있다. 형광체 입자의 크기가 상기와 같을 때, 최대의 발광 휘도를 낼 수 있어 바람직하다.According to a preferred embodiment of the present invention, the phosphor particles may have an average particle diameter (D50) of 0.6 μm to 1.5 μm. When the size of the phosphor particles is the same as above, it is preferable because the maximum emission luminance can be achieved.

본 발명은 또한 상술한 업컨버전 형광체 입자를 포함하는 보안성 발광 잉크를 제공한다. 이러한 발광 잉크는 적외선 광원으로부터 에너지를 받아 가시광선을 방출하는 특성이 있어, 제품의 위조나 변조 등을 감지하는 위조 방지 잉크로 사용될 수 있다.The present invention also provides a secure luminescent ink comprising the above-described upconverted phosphor particles. The light emitting ink has a characteristic of emitting visible light by receiving energy from an infrared light source, and thus can be used as an anti-counterfeiting ink for detecting counterfeiting or tampering of a product.

이하, 하기의 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the following examples are not intended to limit the scope of the present invention, which should be construed to aid understanding of the present invention.

<실시예><Example>

실시예 1: 업컨버전 형광체 입자의 제조Example 1: Preparation of Upconverted Phosphor Particles

활성제로 Ho2O3, 부활성제로 Yb2O3를 60%의 질산 수용액으로 녹여 활성 수용액으로 만들었다.Ho 2 O 3 as an activator and Yb 2 O 3 as a sub-activator were dissolved in a 60% aqueous nitric acid solution to make an active aqueous solution.

Ho2O3는 99.9% 순도의 HANKYUNG 社의 것을 사용하였으며, Yb2O3는 순도 99.9%의 Alfa Aesar 社의 것을 사용하였다.For Ho2O3, 99.9% purity of HANKYUNG was used, and for Yb2O3, 99.9% purity of Alfa Aesar's was used.

홀뮴 산화물과 이터븀 산화물은 각각 1g과 10g을 사용하였으며, 이를 녹이기 위하여 질산을 약 15.06ml를 사용하였다. 상기 활성 용액 생성 반응은 발열 반응으로 열을 식히기 위하여 소량의 증류수를 함께 가하며 용해시켰으며, 산화물이 모두 녹아 용액이 투명해지면 증류수를 첨가하여 활성제 수용액의 양은 총 400g으로 맞추었다.1 g and 10 g of holmium oxide and ytterbium oxide were used, respectively, and about 15.06 ml of nitric acid was used to dissolve them. In the active solution generation reaction, a small amount of distilled water was added to cool the heat due to an exothermic reaction, and when all the oxides were dissolved and the solution became transparent, distilled water was added to adjust the amount of the active agent aqueous solution to a total of 400 g.

이렇게 제조된 활성 용액과 하기의 시약을 투입하여 1L의 비커에 투입하고 증류수를 500 ml 눈금에 맞춰 채운 후 용질이 모두 녹아 용액이 투명해질 때까지 교반해 주었다. 총 부피는 500 ml, 모체 전구체 총 몰수는 0.2 M로 고정하여 분무용액(업컨버전 형광체 입자 조성물)을 제조하였다.The thus-prepared active solution and the following reagent were put into a 1L beaker, and distilled water was filled to the 500 ml scale, and then stirred until all the solute was dissolved and the solution became transparent. A spray solution (upconversion phosphor particle composition) was prepared by fixing the total volume to 500 ml and the total moles of the parent precursor to 0.2 M.

모체: Zr(SO4)2·4H2O(순도 98%, Alfa Aesar社) 27.85g 및 Ce(NO3)3·6H2O(순도 99%, Sigma Aldrich社) 4.39g Parent: Zr(SO 4 ) 2 ·4H 2 O (purity 98%, Alfa Aesar Company) 27.85 g and Ce(NO 3 ) 3 ·6H 2 O (purity 99%, Sigma Aldrich Company) 4.39 g

활성제 용액: 1g Ho2O3가 녹아있는 400g의 수용액 15.13gActivator solution: 15.13 g of 400 g of aqueous solution in which 1 g of Ho 2 O 3 is dissolved

부활성제 용액: 10g Yb2O3가 녹아있는 400g의 수용액 102.56gSub-activator solution: 102.56 g of an aqueous solution of 400 g dissolved in 10 g Yb 2 O 3

융제: Li2CO3(순도 99.99%, High Purity Chemicals社) 0.11 gFlux: Li 2 CO 3 (purity 99.99%, High Purity Chemicals) 0.11 g

유기첨가제: Citric acid(순도 99.5%, Alfa Aesar社) 및 Ethylene glycol(순도 99.8%, Sigma Aldrich社) 모체 몰 농도에 대하여 50 mol%Organic additive: Citric acid (purity 99.5%, Alfa Aesar) and ethylene glycol (purity 99.8%, Sigma Aldrich) 50 mol% based on the parent molar concentration

건조조절제: Dimethylformamide(순도 94.4%, Daejung社) 0.1 MDrying control agent: Dimethylformamide (purity 94.4%, Daejung Corporation) 0.1 M

최종적으로 제조된 분무용액에서 Zr, Ce, Ho 및 Yb의 몰 분율은 각각 76.8%, 10%, 0.2% 및 13% 이었다.The molar fractions of Zr, Ce, Ho and Yb in the finally prepared spray solution were 76.8%, 10%, 0.2% and 13%, respectively.

상기 분무용액을 분무열분해장치에 투입하여 분무열분해 및 후열처리를 실시하였다.The spray solution was put into a spray pyrolysis device to perform spray pyrolysis and post-heat treatment.

상기 분무열분해장치는 1.7MHz의 초음파 진동자가 6개 사용된 액적 발생부, 고온의 에너지로 열분해가 일어나는 소성로, 건조되어 생성된 입자가 포집되는 포집부로 구성되어 있으며, 액적 발생부에서 발생된 액적의 원활한 흐름을 위하여 50 L/min의 공기를 흘려 주었으며, 소성로에서는 900℃의 온도로 상기 분무용액을 열분해하였다.The spray pyrolysis device is composed of a droplet generating unit using six ultrasonic vibrators of 1.7 MHz, a kiln where thermal decomposition occurs with high-temperature energy, and a collecting unit in which dried and generated particles are collected. For smooth flow, 50 L/min of air was flowed, and the spray solution was thermally decomposed at a temperature of 900° C. in the kiln.

열분해 후 결과물을 건조하여 얻어진 전구체 분말(precursor powder)을 포집부에 포집하였다.After thermal decomposition, the resultant was dried and the obtained precursor powder was collected in a collecting unit.

상기 전구체 분말을 1,100℃로 유지되는 박스 퍼니스(box furnace)에서 3시간 동안 유지하여 후열처리를 수행하여 업컨버전 형광체 입자를 수득하였다.Post-heat treatment was performed by maintaining the precursor powder in a box furnace maintained at 1,100° C. for 3 hours to obtain upconverted phosphor particles.

실시예 2~24 및 비교예 1~5: 업컨버전 형광체 입자 제조Examples 2 to 24 and Comparative Examples 1 to 5: Preparation of upconversion phosphor particles

실시예 1과 동일하게 실시하되, 후열처리 온도, 세륨 몰비, 활성제/부활성제 농도 및 융제 첨가 농도를 각각 하기 표 1과 같이 조정한 점을 다르게 하여 업컨버전 형광체 입자를 제조하였다.Upconversion phosphor particles were prepared in the same manner as in Example 1, except that the post-heat treatment temperature, cerium molar ratio, activator/deactivator concentration, and flux addition concentration were adjusted as shown in Table 1 below.

구분division (Zr1-yCey)O2
에서 y
(Zr 1-y Ce y )O 2
in y
Ho3+ 농도
(mol%)
Ho 3+ concentration
(mol%)
Yb3+ 농도
(mol%)
Yb 3+ concentration
(mol%)
Li2CO3 농도
(wt%)
Li 2 CO 3 concentration
(wt%)
후열처리 온도Post heat treatment temperature
실시예 2Example 2 0.10.1 0.20.2 1313 22 1,3001,300 실시예 3Example 3 0.10.1 0.20.2 1313 22 1,1001,100 실시예 4Example 4 0.10.1 0.20.2 1313 22 1,0001,000 실시예 5Example 5 0.10.1 0.20.2 1313 22 900900 실시예 6Example 6 0.0270.027 0.20.2 1313 22 1,2001,200 실시예 7Example 7 0.0770.077 0.20.2 1313 22 1,2001,200 실시예 8Example 8 0.1270.127 0.20.2 1313 22 1,2001,200 실시예 9Example 9 0.1770.177 0.20.2 1313 22 1,2001,200 실시예 10Example 10 0.2770.277 0.20.2 1313 22 1,2001,200 실시예 11Example 11 0.4770.477 0.20.2 1313 22 1,2001,200 실시예 12Example 12 0.10.1 0.10.1 22 22 1,2001,200 실시예 13Example 13 0.10.1 0.20.2 22 22 1,2001,200 실시예 14Example 14 0.10.1 0.30.3 22 22 1,2001,200 실시예 15Example 15 0.10.1 0.40.4 22 22 1,2001,200 실시예 16Example 16 0.10.1 0.50.5 22 22 1,2001,200 실시예 17Example 17 0.10.1 0.20.2 1One 22 1,2001,200 실시예 18Example 18 0.10.1 0.20.2 33 22 1,2001,200 실시예 19Example 19 0.10.1 0.20.2 55 22 1,2001,200 실시예 20Example 20 0.10.1 0.20.2 77 22 1,2001,200 실시예 21Example 21 0.10.1 0.20.2 1010 22 1,2001,200 실시예 22Example 22 0.10.1 0.20.2 1313 22 1,2001,200 실시예 23Example 23 0.10.1 0.20.2 1515 22 1,2001,200 실시예 24Example 24 0.10.1 0.20.2 2020 22 1,2001,200 실시예 25Example 25 0.10.1 0.20.2 1313 00 1,2001,200 실시예 26Example 26 0.10.1 0.20.2 1313 0.50.5 1,2001,200 실시예 27Example 27 0.10.1 0.20.2 1313 1One 1,2001,200 실시예 28Example 28 0.10.1 0.20.2 1313 33 1,2001,200 실시예 29Example 29 0.10.1 0.20.2 1313 44 1,2001,200 비교예 1Comparative Example 1 00 0.20.2 1313 00 1,3001,300 비교예 2Comparative Example 2 00 0.20.2 1313 00 1,2001,200 비교예 3Comparative Example 3 00 0.20.2 1313 00 1,1001,100 비교예 4Comparative Example 4 00 0.20.2 1313 00 1,0001,000 비교예 5Comparative Example 5 00 0.20.2 1313 00 900900

<실험예><Experimental example>

실험예 1: ZrOExperimental Example 1: ZrO 22 UC 형광체 입자의 후열처리 온도에 따른 발광 특성 Luminescence characteristics according to post-heat treatment temperature of UC phosphor particles

비교예 1 내지 5에 따른 업컨버전 형광체 입자의 발광 특성 분석은 다음과 같이 실시하였다. 적정량의 시료 직경 2 cm 둥근 홀더(투명한 석영 창을 가짐)에 채운 후 석영 창 쪽으로 980 nm 적외선 광원(Optoenergy, 600 mA)을 조사하였다. 이때 샘플로부터 방출하는 PL 스펙트럼은 분광광도계(spectrophotometer, 퍼킨엘머 LAMBDA 550)를 이용하여 측정하였다. 또한 X-선 회절 분석기(Rigaku, MiniFlex600)를 이용하여 제조된 형광체 분말의 결정 구조를 측정하였다. The light emission characteristics of the upconverted phosphor particles according to Comparative Examples 1 to 5 were analyzed as follows. After filling an appropriate amount of sample in a round holder with a diameter of 2 cm (with a transparent quartz window), a 980 nm infrared light source (Optoenergy, 600 mA) was irradiated toward the quartz window. At this time, the PL spectrum emitted from the sample was measured using a spectrophotometer (PerkinElmer LAMBDA 550). In addition, the crystal structure of the prepared phosphor powder was measured using an X-ray diffraction analyzer (Rigaku, MiniFlex600).

측정한 결과를 도 6에 나타내었다.The measurement results are shown in FIG. 6 .

도 6a를 참조하면, 후열처리 온도 900℃ 내지 1,300℃의 범위에서 약 550nm의 파장에서 가장 높은 발광 휘도를 나타내며, 온도가 상승할수록 발광 휘도가 점차 상승하여 1,100℃에서 가장 높은 휘도를 나타내고, 1,200℃ 및 1,300℃에서는 발광 휘도가 거의 0에 가까운 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6A , the highest luminance at a wavelength of about 550 nm is exhibited at a post-heat treatment temperature of 900° C. to 1,300° C., and as the temperature increases, the luminance gradually increases, showing the highest luminance at 1,100° C., and 1,200° C. and at 1,300°C, it can be seen that the emission luminance is almost 0.

도 6b를 참조하면, 1,200℃ 이상에서는 형광체 입자의 XRD 패턴이 단사정계 ZrO2와 동일한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6B , it can be seen that the XRD pattern of the phosphor particles is the same as that of monoclinic ZrO 2 at 1,200° C. or higher.

따라서, 세륨이 포함되지 않은 ZrO2를 모체로 하는 업컨버전 형광체 입자는 고온에서 결정구조가 정방정계에서 단사정계로 변화하여 업컨버전 발광 특성을 상실하는 것을 알 수 있다. Accordingly, it can be seen that the upconversion phosphor particles having ZrO 2 as a matrix not containing cerium lose their upconversion luminescence properties because the crystal structure changes from a tetragonal system to a monoclinic system at a high temperature.

실험예 2: 희토류 금속 첨가에 따른 ZrOExperimental Example 2: ZrO according to rare earth metal addition 22 UC 형광체 입자의 발광 특성 비교 Comparison of luminescence properties of UC phosphor particles

실시예 6 내지 11 및 비교예 에 따른 업컨버전 형광체 입자에 대하여 실험예 1과 같은 방식으로 PL 스펙트럼 및 XRD 패턴을 측정하여 그 결과를 도 7에 나타내었으며, 실시예 1과 비교예 1의 PL 스펙트럼을 도 8에 나타내었다. 또한, 실시예 1과 비교예 1의 최대 발광 피크에서의 발광 세기를 후열처리 온도에 따라 나타낸 그래프를 도 10에 나타내었다.The PL spectrum and XRD pattern of the upconversion phosphor particles according to Examples 6 to 11 and Comparative Example were measured in the same manner as in Experimental Example 1, and the results are shown in FIG. 7 , and the PL spectrum of Example 1 and Comparative Example 1 is shown in FIG. 8 . In addition, a graph showing the emission intensity at the maximum emission peak of Example 1 and Comparative Example 1 according to the post-heat treatment temperature is shown in FIG. 10 .

도 7 좌측의 PL 스펙트럼을 확인하면, 세륨의 함량이 0인 경우 업컨버전 형광 특성이 전혀 없음을 알 수 있고, 우측의 도면을 참고하면 y=0인 경우 단사정계의 결정구조를 갖고, 세륨이 첨가되어 y가 0이 아닌 경우 정방정계의 결정구조를 갖는 것을 알 수 있다.Checking the PL spectrum on the left of FIG. 7, it can be seen that when the content of cerium is 0, there is no upconversion fluorescence property at all. Referring to the figure on the right, when y=0, it has a monoclinic crystal structure, and cerium has a It can be seen that when y is not 0, it has a tetragonal crystal structure.

도 8을 참조하면, y=0.1인 실시예 1과 y=0인 비교예 1의 업컨버전 형광체 입자는 최대 방출 파장에서 발광 휘도가 현저하게 차이나는 것을 알 수 있다. 도 10을 보면, 비교예 1의 업컨버전 형광체 입자는 후열처리 온도가 1,100℃를 넘어가면 발광 휘도가 거의 0으로 하락하는 것을 확인할 수 있으나, 실시예 1의 형광체 입자는 1,100℃를 넘어도 오히려 발광 휘도가 상승하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 8 , it can be seen that the upconverted phosphor particles of Example 1 in which y=0.1 and Comparative Example 1 in which y=0 have significantly different emission luminance at the maximum emission wavelength. Referring to FIG. 10 , it can be seen that the luminescence brightness of the upconversion phosphor particles of Comparative Example 1 decreases to almost 0 when the post-heat treatment temperature exceeds 1,100° C., but the phosphor particles of Example 1 emit light even when the temperature exceeds 1,100° C. It can be seen that the luminance increases.

따라서, 1,100℃를 초과하는 고온에서 세륨이 첨가되지 않은 모체는 결정구조가 변화하여 업컨버전 발광 현상이 일어나지 않는 데 반하여 세륨이 첨가되는 경우 1,200℃에서도 정방정계 결정구조를 유지하여 업컨버전 발광 성능을 유지함을 알 수 있었다. 또한, y가 커질수록, 즉 세륨의 함량이 높을수록 발광 휘도가 좋아지는 것을 알 수 있었다.Therefore, at a high temperature exceeding 1,100°C, the crystal structure of the matrix to which cerium is not added does not cause upconversion emission, whereas when cerium is added, the tetragonal crystal structure is maintained even at 1,200°C to improve the upconversion emission performance. was found to keep. In addition, it was found that the higher y, that is, the higher the cerium content, the better the light emission luminance.

실험예 3: (Zr, Ce)OExperimental Example 3: (Zr, Ce)O 22 UC 형광체 입자의 후열처리 온도에 따른 발광 특성 Luminescence characteristics according to post-heat treatment temperature of UC phosphor particles

실시예 1 내지 실시예 5에 따른 업컨버전 형광체 입자에 대하여 실험예 1과 같은 방식으로 PL 스펙트럼 및 XRD 패턴을 측정하여 도 9의 좌측 및 우측 도면에 각각 나타내었다.For the upconversion phosphor particles according to Examples 1 to 5, PL spectra and XRD patterns were measured in the same manner as in Experimental Example 1, and are shown in the left and right drawings of FIG. 9, respectively.

도 9의 PL 스펙트럼을 참조하면 세륨이 첨가된 UC 형광체 입자는 후열처리 온도가 상승하더라도 발광 휘도가 오히려 상승하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 9의 우측 XRD 패턴을 참조하면, 1,100℃를 넘는 후열처리 온도에도 정방정계의 결정구조를 유지하는 것을 확인할 수 있다.Referring to the PL spectrum of FIG. 9 , it can be seen that the luminance of the UC phosphor particles to which cerium is added increases even when the post-heat treatment temperature rises. In addition, referring to the XRD pattern on the right side of FIG. 9 , it can be confirmed that the tetragonal crystal structure is maintained even at a post-heat treatment temperature exceeding 1,100°C.

실험예 4: 활성제/부활성제의 함량에 따른 ZrOExperimental Example 4: ZrO according to the content of the active agent / sub-active agent 22 UC 형광체 입자의 발광 특성 Luminescence Characteristics of UC Phosphor Particles

실시예 12 내지 실시예 24의 업컨버전 형광체 입자를 실험예 1과 같은 방식으로 PL 스펙트럼을 측정하여 도 11 및 도 12에 나타내었다. 구체적으로 실시예 12 내지 실시예 16의 PL 스펙트럼을 도 12에, 실시예 17 내지 실시예 24의 PL 스펙트럼을 도 11에 나타내었다.PL spectra of the upconverted phosphor particles of Examples 12 to 24 were measured in the same manner as in Experimental Example 1, and are shown in FIGS. 11 and 12 . Specifically, the PL spectra of Examples 12 to 16 are shown in FIG. 12 , and the PL spectra of Examples 17 to 24 are shown in FIG. 11 .

도 12를 참조하면, Ho3+ 농도가 0.2 mol%일 때 최대의 발광 휘도를 가지며, 0.4 mol%를 초과하는 경우 발광 휘도가 급락하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 12 , it can be seen that the maximum emission luminance is obtained when the Ho 3+ concentration is 0.2 mol%, and when the concentration of Ho 3+ exceeds 0.4 mol%, the emission luminance drops sharply.

또한 도 11을 참조하면, Yb3+ 농도가 13 mol%일 때 최대의 발광 휘도를 가지며, Yb3+ 농도가 5 mol% 미만 또는 15 mol%를 초과하는 경우 발광 휘도가 급락하는 것을 확인할 수 있다.In addition, referring to FIG. 11 , it can be seen that the maximum emission luminance is obtained when the Yb 3+ concentration is 13 mol%, and when the Yb 3+ concentration is less than 5 mol% or exceeds 15 mol%, the emission luminance drops sharply. .

실험예 5: 융제 첨가에 따른 ZrOExperimental Example 5: ZrO according to the addition of flux 22 UC 형광체 입자의 발광 특성 Luminescence Characteristics of UC Phosphor Particles

실시예 1 및 실시예 25 내지 29의 업컨버전 형광체 입자에 대하여 실험예 1과 같은 방법으로 PL 스펙트럼과 XRD 패턴을 측정하여 도 13에 나타내었다.For the upconversion phosphor particles of Examples 1 and 25 to 29, PL spectra and XRD patterns were measured in the same manner as in Experimental Example 1, and are shown in FIG. 13 .

도 13을 참조하면, 융제를 2 wt% 첨가한 경우에 최대 발광 파장에서의 발광 휘도가 가장 높은 것을 알 수 있었으며, 1 wt% 미만 또는 4 wt%를 초과하는 경우에는 발광 휘도가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 13 , it was found that the light emission luminance at the maximum emission wavelength was the highest when the flux was added in 2 wt%, and when it was less than 1 wt% or more than 4 wt%, the emission luminance was significantly reduced. could check

Claims (16)

(1) 홀뮴(Holmium, Ho), 툴륨(Thulium, Tm) 및 어븀(Erbium, Er) 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 활성제(activator) 전구체; 이터븀(Ytterbium, Yb) 금속을 포함하는 부활성제(co-activator) 전구체; 및 제1 금속인 지르코늄(Zirconium, Zr)과 제2 금속인 란타넘(Lanthanum, La), 세륨(Cerium, Ce), 가돌리늄(Gadolinium, Gd), 이트륨(Yttrium, Y) 및 루테튬(Lutetium, Lu) 중 선택된 하나 이상의 희토류 금속(rare earth metal)을 포함하는 모체(host) 전구체를 포함하는 업컨버전(up-conversion, UC) 형광체 조성물을 제조하는 단계;
(2) 상기 UC 형광체 조성물을 분무하여 액적을 형성하는 단계; 및
(3) 상기 액적을 열분해 및 건조하여 전구체 분말을 형성하는 단계;를 포함하는 UC 형광체 입자 제조방법.
(1) an activator precursor comprising at least one metal selected from holmium (Ho), thulium (Tm) and erbium (Er); a co-activator precursor comprising a ytterbium (Yb) metal; and zirconium (Zr) as a first metal and lanthanum (La), cerium (Cerium, Ce), gadolinium (Gd), yttrium (Y) and lutetium (Lutetium, Lu) as the second metal ) preparing an up-conversion (UC) phosphor composition comprising a host precursor including at least one selected from among rare earth metals;
(2) forming droplets by spraying the UC phosphor composition; and
(3) pyrolyzing and drying the droplets to form a precursor powder; UC phosphor particle manufacturing method comprising a.
제1항에 있어서,
상기 제1 금속의 몰분율이 상기 제2 금속의 몰분율보다 큰 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
UC phosphor particle manufacturing method, characterized in that the mole fraction of the first metal is greater than the mole fraction of the second metal.
제1항에 있어서,
상기 (3) 단계 이후에
(4) 상기 전구체 분말을 700℃ 내지 1,300℃의 온도로 후열처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
After step (3) above
(4) post-heating the precursor powder at a temperature of 700° C. to 1,300° C.; UC phosphor particle manufacturing method further comprising a.
제1항에 있어서,
상기 (1) 단계에서는 상기 제2 금속이 5 mol% 내지 20 mol%의 몰 분율로 포함되도록 첨가하는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
In the step (1), the method for producing UC phosphor particles, characterized in that the second metal is added so as to be included in a molar fraction of 5 mol% to 20 mol%.
제1항에 있어서,
상기 활성제 및 부활성제는 상기 UC 형광체 조성물에 각각 0.1 mol% 내지 0.5 mol% 및 1 mol% 내지 20 mol%의 몰 분율로 포함되는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing UC phosphor particles, characterized in that the activator and the deactivator are included in the UC phosphor composition in mole fractions of 0.1 mol% to 0.5 mol% and 1 mol% to 20 mol%, respectively.
제1항에 있어서,
상기 (3) 단계에서 열분해는 700℃ 내지 1,100℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
The thermal decomposition in step (3) is a UC phosphor particle manufacturing method, characterized in that it is carried out at a temperature in the range of 700 ℃ to 1,100 ℃.
제1항에 있어서,
상기 제1 금속은 지르코늄의 질산염(nitrate) 또는 황산염(sulfate)의 형태로 포함되는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
The first metal is a UC phosphor particle manufacturing method, characterized in that it is included in the form of a nitrate (nitrate) or sulfate (sulfate) of zirconium.
제1항에 있어서,
상기 (1) 단계에서 상기 활성용액에 융제(flux)를 더 첨가하여 업컨버전 형광체 입자 조성물을 제조하는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
UC phosphor particle production method, characterized in that the upconversion phosphor particle composition is prepared by further adding a flux to the active solution in step (1).
제8항에 있어서,
상기 융제는 Li2CO3, LiCl, LiNO3, Na2CO3, NaHCO3 및 KCl 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
9. The method of claim 8,
The flux is at least one selected from Li 2 CO 3 , LiCl, LiNO 3 , Na 2 CO 3 , NaHCO 3 and KCl.
제8항에 있어서,
상기 (1) 단계에서 상기 융제를 상기 UC 형광체 입자 조성물에 0.5 wt% 내지 5 wt%의 함량으로 첨가하는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
9. The method of claim 8,
Method for producing UC phosphor particles, characterized in that the flux is added to the UC phosphor particle composition in an amount of 0.5 wt% to 5 wt% in step (1).
제1 금속인 지르코늄과 제2 금속인 란타넘, 세륨, 가돌리늄, 이트륨 및 루테튬 중 선택된 하나 이상의 희토류 금속을 포함하는 모체 전구체;
홀뮴, 툴륨 및 어븀 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 활성제; 및
이터븀 금속을 포함하는 부활성제;를 포함하는 UC 형광체 조성물.
a mother precursor including zirconium as a first metal and at least one rare earth metal selected from lanthanum, cerium, gadolinium, yttrium, and lutetium as a second metal;
an active agent comprising at least one metal selected from holmium, thulium and erbium; and
UC phosphor composition comprising; a deactivator comprising a ytterbium metal.
제11항에 있어서,
상기 제2 금속은 5 mol% 내지 20 mol%의 몰 분율로 포함된 것을 특징으로 하는 UC 형광체 조성물.
12. The method of claim 11,
The second metal is UC phosphor composition, characterized in that it is included in a molar fraction of 5 mol% to 20 mol%.
제11항에 따른 형광체 조성물을 분무열분해(spray pyrolysis)하여 제조되며,
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 UC 형광체 입자:
[화학식 1]
(Zr1-x-y-zAxYbyMz)O2
상기 화학식 1에서, A는 홀뮴, 툴륨 및 어븀 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 활성제, M은 란타넘, 세륨, 가돌리늄, 이트륨 및 루테튬 중에서 선택된 하나 이상의 희토류 금속을 포함하는 제2 금속이며, 0.06≤x+y+z≤0.45이다.
It is prepared by spray pyrolysis of the phosphor composition according to claim 11,
UC phosphor particles comprising a compound represented by the following formula (1):
[Formula 1]
(Zr 1-xyz A x Yb y M z )O 2
In Formula 1, A is an activator containing at least one metal selected from holmium, thulium and erbium, M is a second metal containing at least one rare earth metal selected from lanthanum, cerium, gadolinium, yttrium and lutetium, and 0.06≤ x+y+z≤0.45.
제13항에 있어서,
상기 화학식 1은 하기 조건 1) 내지 3)중 적어도 하나를 만족하는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자:
1) 0.001≤x≤0.005
2) 0.01≤y≤0.2
3) 0.05≤z≤0.2.
14. The method of claim 13,
Formula 1 is a UC phosphor particle, characterized in that it satisfies at least one of the following conditions 1) to 3):
1) 0.001≤x≤0.005
2) 0.01≤y≤0.2
3) 0.05≤z≤0.2.
제13항에 있어서,
900℃ 내지 1,300℃의 온도에서 모체의 결정구조가 정방정계(tetragonal)인 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자.
14. The method of claim 13,
UC phosphor particles, characterized in that the crystal structure of the matrix is tetragonal at a temperature of 900°C to 1,300°C.
제13항에 따른 UC 형광체 입자를 포함하는 보안성 발광 잉크.A secure luminescent ink comprising the UC phosphor particles according to claim 13 .
KR1020200003911A 2020-01-10 2020-01-10 Composition for UC fluorescent particle, UC fluorescent particle made from the same composition, method of making the same particle, security luminescent ink including the same particle KR102387772B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200003911A KR102387772B1 (en) 2020-01-10 2020-01-10 Composition for UC fluorescent particle, UC fluorescent particle made from the same composition, method of making the same particle, security luminescent ink including the same particle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200003911A KR102387772B1 (en) 2020-01-10 2020-01-10 Composition for UC fluorescent particle, UC fluorescent particle made from the same composition, method of making the same particle, security luminescent ink including the same particle

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210090516A true KR20210090516A (en) 2021-07-20
KR102387772B1 KR102387772B1 (en) 2022-07-08

Family

ID=77127393

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200003911A KR102387772B1 (en) 2020-01-10 2020-01-10 Composition for UC fluorescent particle, UC fluorescent particle made from the same composition, method of making the same particle, security luminescent ink including the same particle

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102387772B1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010038293A (en) * 1999-10-23 2001-05-15 윤덕용 Process for Preparing Oxidized Phosphor Particles by Spray Pyrolysis Employing Flux
KR20040084241A (en) * 2003-03-27 2004-10-06 럭스피아 주식회사 Yellow phosphor particles with nano-size and method for fabricating thereof
JP2012507084A (en) * 2008-10-23 2012-03-22 インテマティックス・コーポレーション Authentic proof system based on phosphor
KR101957927B1 (en) 2017-09-07 2019-03-14 부산대학교 산학협력단 Upconversion anti-counterfeiting film, preparation method thereof and anti-counterfeiting article comprising the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010038293A (en) * 1999-10-23 2001-05-15 윤덕용 Process for Preparing Oxidized Phosphor Particles by Spray Pyrolysis Employing Flux
KR20040084241A (en) * 2003-03-27 2004-10-06 럭스피아 주식회사 Yellow phosphor particles with nano-size and method for fabricating thereof
JP2012507084A (en) * 2008-10-23 2012-03-22 インテマティックス・コーポレーション Authentic proof system based on phosphor
KR101957927B1 (en) 2017-09-07 2019-03-14 부산대학교 산학협력단 Upconversion anti-counterfeiting film, preparation method thereof and anti-counterfeiting article comprising the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR102387772B1 (en) 2022-07-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hu et al. 1550 nm pumped upconversion chromaticity modulation in Er3+ doped double perovskite LiYMgWO6 for anti-counterfeiting
Gupta et al. Bluish white emitting sr 2 ceo 4 and red emitting sr 2 ceo 4: Eu 3+ nanoparticles: Optimization of synthesis parameters, characterization, energy transfer and photoluminescence
Lovisa et al. Photoluminescent properties of ZrO2: Tm3+, Tb3+, Eu3+ powders—a combined experimental and theoretical study
Chahar et al. Color tunable nanocrystalline SrGd2Al2O7: Tb3+ phosphor for solid state lighting
Li et al. Fluorescence quenching of 5DJ (J= 1, 2 and 3) levels and Judd–Ofelt analysis of Eu3+ in NaGdTiO4 phosphors
Verma et al. Shifting and enhanced photoluminescence performance of the Sr1-xEuxMgAl10O17 phosphor
Hooda et al. Characteristic white light emission via down-conversion SrGdAlO4: Dy3+ nanophosphor
Gupta et al. Phase recognition and spectroscopic characteristics of single-phase Tb3+ doped Gd4Al2O9 nanophosphors for NUV energized advanced photonic appliances
Yadav et al. Enhanced white light emission from a Tm 3+/Yb 3+/Ho 3+ co-doped Na 4 ZnW 3 O 12 nano-crystalline phosphor via Li+ doping
Monika et al. Synthesis of multicolor emitting Sr2− xSmxCeO4 nanophosphor with compositionally tuneable photo and thermoluminescence
David et al. Synthesis and photoluminescence properties of Sm3+ substituted glaserite-type orthovanadates K3Y [VO4] 2 with monoclinic structure
Jadhav et al. Enhanced down and upconversion emission for Li+ co-doped Gd2O3: Er3+ nanostructures
Gupta et al. Structural and photophysical measurements of Er3+ doped Gd4Al2O9 nanophosphors for NUV excitable solid-state lighting applications
Roy et al. Host dependent upconversion, color tunability and laser induced optical heating via NIR excitation in Ho3+, Yb3+ doped YXO4 (X= V, Nb, Ta) phosphor materials: application as a security tool and optical heater
Singh et al. Structural and luminescent properties of Eu 3+-doped GdSrAl 3 O 7 nanophosphor
Katyayan et al. Investigation of spectral properties of Eu3+ and Tb3+ doped strontium zirconium trioxide orthorhombic perovskite for optical and sensing applications
Rodrigues et al. Luminescence investigation of Dy2O2S and Dy2O2SO4 obtained by thermal decomposition of sulfate hydrate
Mabelane et al. Effect of annealing period on the structure, morphology, and optical properties of CaAl2O4: 0.1% Sm3+ prepared by citrate sol-gel method
Rai et al. Effect of Cr 3+ doping on structural and optical properties of Eu 3+ doped LaVO 4 phosphor
KR102387772B1 (en) Composition for UC fluorescent particle, UC fluorescent particle made from the same composition, method of making the same particle, security luminescent ink including the same particle
Tiwari et al. Near UV-blue emission from cerium doped zirconium dioxide phosphor for display and sensing applications
Jung et al. White light-emitting calcium tungstate microspheres synthesized via co-precipitation at room temperature and application to UV-LED chip
Dwivedi et al. Photoluminescence behavior of rare earth doped self-activated phosphors (ie niobate and vanadate) and their applications
Janani et al. Effect of gadolinium concentration on the luminescence of LiYF4: Yb3+/Er3+ phosphor
Solgi et al. Facile route for synthesis of strontium hexaborate crystalline powders

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant