KR20210114588A - Method of preparing UC fluorescent particle, UC fluorescent particle made thereby and fluorescent ink including the same - Google Patents

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KR20210114588A
KR20210114588A KR1020200029607A KR20200029607A KR20210114588A KR 20210114588 A KR20210114588 A KR 20210114588A KR 1020200029607 A KR1020200029607 A KR 1020200029607A KR 20200029607 A KR20200029607 A KR 20200029607A KR 20210114588 A KR20210114588 A KR 20210114588A
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Abstract

The present invention relates to a method for preparing an upconversion (UC) phosphor particle, an upconversion phosphor particle prepared thereby, and a phosphor ink including the same. More specifically, the present invention relates to a method for preparing a UC phosphor particle which does not show the loss of UC fluorescent characteristics due to a phase change, even at high temperature, has an excellent luminance, and has a low manufacturing cost, a UC phosphor particle prepared thereby, and a phosphor ink including the same.

Description

업컨버전 형광체 입자 제조방법, 이에 의하여 제조된 업컨버전 형광체 입자, 및 이를 포함하는 형광 잉크{Method of preparing UC fluorescent particle, UC fluorescent particle made thereby and fluorescent ink including the same}Method of preparing UC fluorescent particle, UC fluorescent particle made thereby and fluorescent ink including the same

본 발명은 업컨버전 형광체 입자 제조방법, 이에 의하여 제조된 업컨버전 형광체 입자 및 이를 포함하는 형광 잉크에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 고온에서도 상변화에 의하여 UC 형광 특성을 상실하지 않고 발광 휘도가 우수하며 제조 단가가 낮은 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법, 이에 의하여 제조된 UC형광체 입자 및 이를 포함하는 형광 잉크에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing upconversion phosphor particles, an upconversion phosphor particle manufactured thereby, and a fluorescent ink including the same, and more particularly, to a high temperature without losing UC fluorescence properties due to a phase change and having excellent luminance. And it relates to a method for producing UC phosphor particles, characterized in that the production cost is low, to UC phosphor particles produced by the method, and to a fluorescent ink comprising the same.

형광체란 외부에너지를 받아 전자의 바닥상태로부터 여기(excited)상태로 들떴다가 다시 기저(ground)상태로 돌아올 때 그 에너지 차에 해당하는 빛을 방출하는 물질을 말한다. 오늘날 형광체는 발광다이오드(LED), 태양전지, 광 촉매, 광학센서, 반도체 등 다양하게 활용되며 그 중 최근 각광받고 있는 것은 위조제품방지에 효과적인 시인성 마크이다. 오늘날의 산업기술의 변천에 따라 다양한 제품류가 나오지만 그만큼 위조 제품 시장의 문제가 대두되었다. 예전의 위조 시장은 명품 백과 명품 의류가 주를 이었지만 이제는 화장품 및 건강식품, 전자기기 등 다양한 짝퉁 제품들이 넘쳐나고 있다. 이를 방지하기 위해 제품에 QR코드를 도입하였지만 최근 감사원까지 QR코드는 통관을 합법적으로 마쳤다는 뜻이며 정품 인증은 확실치 않아 소비자 혼돈을 일으키고 있다. 때문에 이를 보완할 수 있는 기술로 형광 안료를 이용하는 방법이 있다. A phosphor is a material that emits light corresponding to the energy difference when it receives external energy and is excited from the ground state of electrons to an excited state and then returns to the ground state. Today, phosphors are used in various ways, such as light emitting diodes (LEDs), solar cells, photocatalysts, optical sensors, and semiconductors. According to the change of today's industrial technology, various products are produced, but the problem of the counterfeit product market has come to the fore. In the past, the counterfeit market was dominated by luxury bags and luxury clothing, but now a variety of counterfeit products such as cosmetics, health food, and electronic devices are overflowing. To prevent this, a QR code was introduced into the product, but until recently, until the Board of Audit and Inspection, the QR code means that customs clearance has been completed legally, and the authenticity of the product is unclear, causing confusion among consumers. Therefore, there is a method of using a fluorescent pigment as a technology that can compensate for this.

발광성 재료를 이용하여 특정 패턴 및 마크를 만들고 근적외선(Near Infrared Ray, NIR) 또는 자외선(Ultraviolet, UV) 빛에 의해 특정 패턴 속에 있는 형광 안료를 발광하게 만들어 가시광으로 방출된 빛을 통해도 1과 같은 방법의 예로 지폐위조여부를 눈으로 판별할 수 있다.A specific pattern and mark are made using a luminescent material, and the fluorescent pigment in a specific pattern is made to emit light in a specific pattern by Near Infrared Ray (NIR) or Ultraviolet (UV) light. As an example of a method, it is possible to visually determine whether a bill is forged or not.

형광체 제조를 위해 쓰이는 희토류 계의 모체들은 중량에 비해 고가물질이다. 따라서 현재 위조방지 라벨 및 마크 제작에 있어 대량생산에는 경제적인 문제점이 발생한다. 이로 인해 좀더 낮은 단가에서 대량생산으로 이어질 수 있는 형광 안료 개발이 필요하다. 형광체 모체 중 TiO2는 광물의 매장량이 풍부하고 단가가 저렴하고 안정적인 물질이기 때문에 위조방지 제품생산에 가장 적합한 물질이다. TiO2의 띠 간격(band gap)은 3.0 ~ 3.2 eV로 다른 모체들에 비해 상대적으로 큰 편이기 때문에 자외선영역의 빛을 흡수하여 태양전지, 광 촉매, 반도체 등에 다방면의 활용이 가능하다. TiO2는 이러한 장점들이 있는 반면 형광체 응용에 있어 치명적인 단점 또한 존재한다.Rare-earth bases used for phosphor manufacturing are expensive materials compared to their weight. Therefore, there is an economic problem in mass production in the production of current anti-counterfeiting labels and marks. For this reason, it is necessary to develop a fluorescent pigment that can lead to mass production at a lower unit cost. Among the phosphor matrix, TiO 2 is the most suitable material for the production of anti-counterfeiting products because it has abundant mineral reserves and is inexpensive and stable. Since the band gap of TiO 2 is 3.0 ~ 3.2 eV, which is relatively large compared to other parent materials, it absorbs light in the ultraviolet region and can be used in various fields such as solar cells, photocatalysts, and semiconductors. While TiO 2 has these advantages, it also has fatal disadvantages for phosphor applications.

소성 온도에 따라 크게 아나타제(Anatase) 상과 루타일(Rutile) 상으로 나눠지는데 아나타제 상은 400~470℃의 좁은 영역에서 결정화가 일어나며 형광체 및 태양전지 등에 활용되고 루타일 상은 고온 500℃이상의 온도에서 상변화가 생겨 형광체로 적합하지 않아 흰색 도료로서 페인트, 물감, 잉크, 자외선 차단제 등에 사용되며 형광체 응용에 있어서 제한적이다. 때문에 형광체 응용에 있어 아나타제상을 유지하여 열 안정성 및 발광 휘도를 개선할 수 있는 UC 형광체 연구개발이 필요한 상황이다.Depending on the firing temperature, it is largely divided into an anatase phase and a rutile phase. The anatase phase crystallizes in a narrow region of 400 to 470°C and is used for phosphors and solar cells. It is not suitable as a phosphor due to change, so it is used as a white paint for paints, paints, inks, sunscreens, etc., and has limited phosphor application. Therefore, there is a need for research and development of UC phosphors that can improve thermal stability and luminance by maintaining anatase phase in phosphor applications.

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

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래의 UC형광체 입자에 비하여 낮은 단가로 제조할 수 있으면서도 고온 열처리에 대하여 형광 특성을 상실하지 않고 발광 휘도가 우수한 UC 형광체 입자의 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention has been devised to solve the above problems, and the problem to be solved by the present invention is that it can be manufactured at a lower unit cost compared to the conventional UC phosphor particles, and has excellent luminance without losing fluorescence properties against high temperature heat treatment. To provide a method for producing UC phosphor particles.

또한 본 발명은 상기 UC 형광체 입자를 제조하기 위한 UC 형광체 조성물을 제공하는 것이며, 이에 따라서 제조된, 고온으로 열처리하여도 형광 특성을 잃지 않고 우수한 발광 휘도를 갖는 UC 형광체 입자를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a UC phosphor composition for producing the UC phosphor particles, and to provide UC phosphor particles having excellent luminance without losing fluorescence properties even when heat-treated at a high temperature. .

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 (1) 티타늄(Titanium, Ti)과 실리콘(Silicon, Si)을 각각 포함하는 모체(host) 전구체 혼합물, 및 어븀(Erbium, Er)과 이터븀(Ytterbiu, Yb)을 각각 포함하는 도펀트(dopant) 전구체 혼합물을 용매에 용해시켜 분무 용액(spray solution)을 제조하는 단계;In order to solve the above problems, the present invention is (1) a host precursor mixture comprising each of titanium (Titanium, Ti) and silicon (Silicon, Si), and erbium (Erbium, Er) and ytterbiu (Ytterbiu) , Yb) preparing a spray solution by dissolving a dopant precursor mixture containing each in a solvent;

(2) 상기 분무 용액을 소정의 온도로 가열 및 반응시킨 후 건조하여 전구체 분말(precursor powder)을 수득하는 단계; 및(2) heating and reacting the spray solution to a predetermined temperature and drying the spray solution to obtain a precursor powder; and

(3) 상기 전구체분말을 열처리하는 단계;를 포함하는 업컨버전(UC)형광체 입자 제조방법을 제공한다.(3) heat-treating the precursor powder; provides an up-conversion (UC) phosphor particle manufacturing method comprising.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 (2) 단계는 분무열분해(spray pyrolysis)법으로 수행할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, step (2) may be performed by a spray pyrolysis method.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 분무 용액에서 티타늄이 실리콘보다 큰 몰 분율을 가질 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, titanium may have a greater mole fraction than silicon in the spray solution.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 (3) 단계는 600℃내지 750℃의 온도로 열처리하여 수행할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, step (3) may be performed by heat treatment at a temperature of 600 °C to 750 °C.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 (1) 단계에서는 실리콘의 몰 분율이 2 mol% 내지 30 mol%일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, in step (1), the mole fraction of silicon may be 2 mol% to 30 mol%.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 분무용액은 상기 어븀 및 이터븀을 0.1 mol% 내지 1 mol% 및 2 mol% 내지 10 mol%의 몰 분율로 포함하는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.In a preferred embodiment of the present invention, the spray solution comprises the erbium and ytterbium in a mole fraction of 0.1 mol% to 1 mol% and 2 mol% to 10 mol% UC phosphor particle manufacturing method .

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 (2) 단계는 700℃내지 1,100℃의 온도에서 수행할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, step (2) may be performed at a temperature of 700 °C to 1,100 °C.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 또한 티타늄과 실리콘을 각각 포함하는 모체 전구체 혼합물 및 어븀과 이터븀을 각각 포함하는 도펀트 전구체 혼합물을 포함하는 UC 형광체 조성물을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention also provides a UC phosphor composition including a parent precursor mixture including titanium and silicon, respectively, and a dopant precursor mixture including erbium and ytterbium, respectively.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 실리콘을 포함하는 모체 전구체는 실리콘이 2 mol% 내지 30 mol%의 몰 분율을 갖도록 포함될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the parent precursor including silicon may be included so that silicon has a mole fraction of 2 mol% to 30 mol%.

본 발명은 또한 상술한 과제를 해결하기 위하여 상기 UC형광체 조성물을 반응시켜 제조되며, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 UC 형광체 입자를 제공한다.The present invention also reacts the UC phosphor composition to solve the above problems It provides UC phosphor particles comprising a compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

(Ti1-x-y-zSixEryYbz)O2 (Ti 1-xyz Si x Er y Yb z )O 2

상기 화학식 1에서, 0.02≤x+y+z≤0.4이다.In Formula 1, 0.02≤x+y+z≤0.4.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 조건 1) 내지 3) 중 적어도 하나를 만족하는 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, Chemical Formula 1 may satisfy at least one of the following conditions 1) to 3).

1) 0.02≤x≤0.31) 0.02≤x≤0.3

2) 0.001≤y≤0.012) 0.001≤y≤0.01

3) 0.02≤z≤0.1.3) 0.02≤z≤0.1.

본 발명은 또한 상기 UC형광체 입자를 포함하는 형광 잉크를 제공한다.The present invention also provides a fluorescent ink comprising the UC phosphor particles.

본 발명에 따른 UC 형광체 입자 제조방법에 따르면, 제조 단가를 절감할 수 있으며, 단순 공정으로 제조가 가능하다. 제조된 UC 형광체 입자는 고온에서 열처리하여도 상(phase)의 변화로 인한 형광 특성 상실 현상이 일어나지 않거나 최소화할 수 있으며, 발광 휘도가 우수하여 보안성 잉크 소재로 적용이 가능하다.According to the method for manufacturing UC phosphor particles according to the present invention, the manufacturing cost can be reduced, and manufacturing is possible through a simple process. The prepared UC phosphor particles can be heat-treated at high temperature, but the loss of fluorescence properties due to phase change can not occur or can be minimized.

도 1은 위조방지 잉크가 적용된 지폐를 촬영한 사진이다.
도 2는 업컨버전 형광과 다운컨버전 형광 현상을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 업컨버전 형광체 입자의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 TiO2의 밴드 갭 다이어그램이다.
도 5a는 Si가 포함되지 않은 TiO2계 UC 형광체 입자의 열처리 온도에 따른 PL 스펙트럼이다.
도 5b는 Si가 10 mol%의 몰분율로 포함된 TiO2계 UC 형광체 입자의 열처리 온도에 따른 PL 스펙트럼이다.
도 5c는 Si가 0 mol%, 10 mol%일 때 TiO2계 UC 형광체 입자의 열처리 온도에 따른 최대 방출 파장에서의 방출 강도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 Si가 포함되지 않은 TiO2계 UC 형광체 입자의 열처리 온도에 따른 XRD 패턴 및 결정자 크기(Dc)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 Si가 10 mol%로 포함된 TiO2계 UC 형광체 입자의 열처리 온도에 따른 XRD 패턴 및 결정자 크기(Dc)의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 Si가 0 mol%, 10 mol%일 때, TiO2계 UC 형광체 입자의 열처리 온도에 따른 (좌) 하기 관계식 1에 따라 계산되는 Rutile 상의 비율인 %Rutile 및 (우)결정자 크기의 변화를 나타낸 그래프이다.
[관계식 1]

Figure pat00001

상기 관계식 1에서, A는 상기 UC 형광체 입자의 XRD 패턴에 나타난 피크 가운데 2θ가 25.3±0.2˚인 영역에서 최고점을 갖는 피크의 영역(area), R은 상기 UC 형광체 입자의 XRD 패턴에 나타난 피크 가운데 2θ가 27.4±0.2˚인 영역에서 최고점을 갖는 피크의 영역(area)을 나타낸다.
도 9는 Si 농도에 따른 TiO2계 UC 형광체 입자의 열처리 온도에 따른 최대 발광 파장에서의 발광 휘도를 나타낸 그래프이다.
도 10a는 Si 농도에 따른 TiO2계 UC 형광체 입자를 700℃로 열처리하였을 때의 PL 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 10b는 TiO2계 UC 형광체 입자를 700℃로 열처리하였을 때, Si농도에 따른 최대 방출 파장에서의 방출 강도를 나타낸 그래프이다.
도 10c는 TiO2계 UC형광체 입자를 700℃로 열처리하였을 때, Si농도에 따른 XRD 패턴의차이를 비교한 도면이다.
도 11a는 Si 2.5 mol%인 TiO2계 UC 형광체 입자의 TEM 이미지이다.
도 11b는 Si 10 mol%인 TiO2계 UC 형광체 입자의 TEM 이미지이다.
도 12a는 Si 2.5 mol%인 TiO2계 UC형광체 입자의 EDX 이미지이다.
도 12b는 Si 10mol%인 TiO2계 UC 형광체 입자의 EDX 이미지이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 UC 형광체 입자를 포함하여 제조한 위조방지용 형광 마크를 적용한 시료에 975nm 레이저를 입사시켰을 때 마크가 발광하는 모습을 촬영한 사진이다.1 is a photograph of a bill applied with anti-counterfeiting ink.
2 is a diagram schematically illustrating upconversion fluorescence and downconversion fluorescence phenomena.
3 is a view schematically showing a method of manufacturing upconverted phosphor particles according to a preferred embodiment of the present invention.
4 is a band gap diagram of TiO 2 .
5a is a PL spectrum according to the heat treatment temperature of TiO 2 -based UC phosphor particles not containing Si.
FIG. 5b is a PL spectrum according to the heat treatment temperature of TiO 2 based UC phosphor particles in which Si is included in a mole fraction of 10 mol%.
FIG. 5c is a graph showing the emission intensity at the maximum emission wavelength according to the heat treatment temperature of TiO 2 based UC phosphor particles when Si is 0 mol% and 10 mol%.
6 is a graph showing changes in XRD pattern and crystallite size (D c ) according to the heat treatment temperature of TiO 2 -based UC phosphor particles not containing Si.
7 is a view showing changes in XRD pattern and crystallite size (D c ) according to the heat treatment temperature of TiO 2 -based UC phosphor particles containing Si in an amount of 10 mol%.
8 is a graph showing changes in %Rutile, which is the ratio of rutile phase calculated according to Relation 1 below (left) and (right) crystallite size, according to the heat treatment temperature of TiO2-based UC phosphor particles when Si is 0 mol% and 10 mol%; This is the graph shown.
[Relational Expression 1]
Figure pat00001

In Relation 1, A is the area of the peak having the highest point in the region where 2θ is 25.3±0.2˚ among the peaks shown in the XRD pattern of the UC phosphor particle, and R is the peak area of the peak shown in the XRD pattern of the UC phosphor particle. The area of the peak having the highest point in the region where 2θ is 27.4±0.2° is indicated.
9 is a graph showing emission luminance at the maximum emission wavelength according to the heat treatment temperature of TiO 2 -based UC phosphor particles according to the Si concentration.
FIG. 10a is a graph showing a PL spectrum when TiO 2 based UC phosphor particles were heat treated at 700° C. according to Si concentration.
FIG. 10b is a graph showing emission intensity at the maximum emission wavelength according to Si concentration when TiO 2 based UC phosphor particles were heat treated at 700° C. FIG.
FIG. 10c is a diagram comparing the difference in XRD patterns according to Si concentration when TiO 2 based UC phosphor particles were heat treated at 700° C. FIG.
11a is a TEM image of TiO 2 based UC phosphor particles containing 2.5 mol% of Si.
11B is a TEM image of TiO 2 based UC phosphor particles containing 10 mol% of Si.
12a is an EDX image of TiO 2 based UC phosphor particles containing 2.5 mol% of Si.
12B is an EDX image of TiO 2 based UC phosphor particles containing 10 mol% of Si.
13 is a photograph of a state in which the mark emits light when a 975 nm laser is incident on a sample to which the anti-counterfeiting fluorescent mark manufactured including the UC phosphor particles according to an embodiment of the present invention is applied.

본 발명을 상세히 설명하기에 앞서 본 명세서에 사용된 용어의 의미를 정의한다.Before describing the present invention in detail, the meaning of the terms used herein is defined.

본 명세서에서 “몰 분율”이란, 모체, 활성제, 부활성제 및 도펀트가 형광체 입자를 구성하는 경우, 양이온 격자 자리에 위치하는 금속 원자들 간의 몰 분율을 의미하는 것으로 한정하여 정의한다As used herein, the term “mol fraction” is defined as meaning the molar fraction between metal atoms positioned at the cation lattice site when the parent, activator, deactivator, and dopant constitute the phosphor particle.

본래 실리콘은 준금속으로서 금속적 성질과 비금속적 성질을 모두 가지지만, 본 명세서에서는 실리콘은 금속으로 본다. 따라서, 몰 분율의 계산을 위한 금속 원자들의 수에는 실리콘 원자의 수도 포함된다.Originally, silicon as a metalloid has both metallic and non-metallic properties, but in the present specification, silicon is regarded as a metal. Accordingly, the number of metal atoms for the calculation of the mole fraction includes the number of silicon atoms.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

상술한 바와 같이 종래의 형광체는 다운컨버전(Down-conversion, DC) 형광체이거나, 업컨버전 형광체인 경우 희토류 금속을 모체로 사용하는 등 높은 단가를 가지며, 희토류 대신 다른 금속을 모체로 사용하는 경우에는 고온 열처리 시 상 변화(phase transformation)으로 인하여 형광 특성을 상실하거나 발광 휘도가 낮아져 버리는 문제점이 있었다.As described above, conventional phosphors are down-conversion (DC) phosphors or up-conversion phosphors, which have a high unit cost, such as using a rare earth metal as a matrix. There is a problem in that the fluorescence characteristic is lost or the luminance of light is lowered due to a phase transformation during heat treatment.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 (1) 티타늄(Titanium, Ti)과 실리콘(Silicon, Si)을 각각 포함하는 모체(host) 전구체 혼합물, 어븀(Erbium, Er)과 이터븀(Ytterbium, Yb)을 각각 포함하는 도펀트(dopant) 전구체 혼합물을 용매에 용해시켜 분무 용액(spray solution)을 제조하는 단계;In order to solve this problem, the present invention (1) a host precursor mixture containing titanium (Titanium, Ti) and silicon (Silicon, Si), respectively, erbium (Erbium, Er) and ytterbium (Ytterbium, Yb) preparing a spray solution by dissolving a dopant precursor mixture including each in a solvent;

(2) 상기 분무 용액을 소정의 온도로 가열 및 반응시킨 후 건조하여 전구체 분말(precursor powder)을 수득하는 단계; 및(2) heating and reacting the spray solution to a predetermined temperature and drying the spray solution to obtain a precursor powder; and

(3) 상기 전구체 분말을 열처리하는 단계;를 포함하는 업컨버전(UC) 형광체 입자 제조방법을 제공한다.(3) heat-treating the precursor powder; provides an up-conversion (UC) phosphor particle manufacturing method comprising.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 UC 형광체 입자는 모체의 금속 양이온 격자 내에 실리콘을 포함시킴으로써 고온 열처리에도 상 변화가 일어나지 않아 우수한 업컨버전 형광 특성을 유지할 수 있다.The UC phosphor particles prepared according to the manufacturing method of the present invention include silicon in the metal cation lattice of the matrix, so that no phase change occurs even during high-temperature heat treatment, thereby maintaining excellent upconversion fluorescence properties.

특히, 바람직하게는 상기 (2) 단계는 분무열분해(spray pyrolysis)법에 의하여 수행될 수 있다. 분무열분해 과정에 의하는 경우, 상압 공정이 가능하고, 밀링 공정을 거치지 않아도 되어 간단한 공정으로 제조할 수 있는 장점이 있다.In particular, preferably, step (2) may be performed by a spray pyrolysis method. In the case of the spray pyrolysis process, an atmospheric pressure process is possible, and there is an advantage in that it can be manufactured in a simple process because it does not need to go through a milling process.

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

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 UC 형광체 입자의 제조방법을 단계별로 나타낸 모식도이다.3 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing UC phosphor particles step by step according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 모체 티타늄 전구체인 TTIP(Titanium(IV) isopropoxide, TiC12H28O4), 모체 실리콘 전구체인 TEOS(Tetraethyl orthosilicate, SiC8H20O4) 및 도펀트 전구체인 Er2O3와 Yb2O3를 각각 포함하는 분무 용액을 제조하는 단계; 상기 분무 용액을 분무열분해를 통하여 반응시키는 단계; 및 상기 분무 용액의 분무열분해에 의하여 얻어진 전구체 분말을 열처리(소성)하는 단계;를 포함하여 UC 형광체 입자를 제조하는 방법이 도시되어 있다.Referring to Figure 3, the parent titanium precursor TTIP (Titanium (IV) isopropoxide, TiC 12 H 28 O 4 ), the parent silicon Preparing a spray solution containing each of the precursor TEOS (Tetraethyl orthosilicate, SiC 8 H 20 O 4 ) and the dopant precursors Er 2 O 3 and Yb 2 O 3 ; reacting the spray solution through spray pyrolysis; and heat-treating (calcining) the precursor powder obtained by spray pyrolysis of the spray solution.

(1) 단계(Step 1

본 발명의 UC 형광체 입자는 이산화티타늄(TiO2) 화합물을 모체로 하며, 티타늄의 일부가 실리콘으로 치환되어 (Ti, Si)O2가 모체를 형성한다. 이러한 모체에 활성제 및 부활성제 역할을 하는 어븀 및 이터븀 도펀트를 포함시키는 반응 공정에 제공하기 위하여 먼저 이들을 포함하는 분무 용액을 제조한다.The UC phosphor particles of the present invention have a titanium dioxide (TiO 2 ) compound as a matrix, and a part of titanium is substituted with silicon (Ti, Si)O 2 to form a matrix. In order to provide a reaction process containing erbium and ytterbium dopants serving as activators and deactivators in such a matrix, a spray solution containing them is first prepared.

상기 분무 용액은 모체 및 도펀트 전구체 혼합물의 용액을 가열 반응시킬 때 분무열분해 반응에 의하는 경우 상기 용액을 분무하여 액적 상태에서 분무열분해 공정을 수행하게 된다는 것을 의미한다. 분무열분해반응이 아닌 단순 액상 반응으로 진행하는 경우에는 “분무”라는 용어가 포함되어 있기는 하나 상기 분무 용액을 분무하지는 않는다. 본 발명은 반드시 분무열분해 반응에 의하여서만 UC 형광체 입자를 제조할 수 있는 것은 아니며, 액상제조법에 의하여 제조할 수도 있다.The spray solution means that when the solution of the parent and dopant precursor mixture is heated and reacted, the solution is sprayed according to the spray pyrolysis reaction to perform the spray pyrolysis process in a droplet state. In the case of proceeding to a simple liquid phase reaction rather than a spray pyrolysis reaction, although the term “spray” is included, the spray solution is not sprayed. In the present invention, UC phosphor particles cannot be necessarily prepared only by spray pyrolysis, but may also be prepared by a liquid-phase manufacturing method.

액상제조법에 의하는 경우, 상기 분무용액을 40℃ 내지 50℃로 가열하여 Sol-gel 반응에 의하여 입자를 형성하고, 이를 열분해하는 방법에 의한다.In the case of the liquid manufacturing method, the spray solution is heated to 40°C to 50°C to form particles by a sol-gel reaction, followed by thermal decomposition thereof.

상기 분무 용액은 상기 모체 티타늄 전구체, 모체 실리콘 전구체의 혼합물을 포함하며, 추가적으로 도펀트(dopant) 전구체 혼합물을 더 포함한다. 상기 도펀트는 모체 내에서 금속 양이온 격자의 일부를 치환하는 소량의 불순물 금속을 의미하며, 활성제(activator)와 부활성제(co-activator)를 포함한다. 따라서, 상기 도펀트 전구체 혼합물은 활성제 전구체와 부활성제 전구체를 포함한다. 상기 모체의 전구체 혼합물은 추후 열분해에 의하여 (Ti, Si)O2 격자를 형성하게 되어, 본 발명의 UC 형광체 입자의 모체를 형성하게 된다.The spray solution includes a mixture of the parent titanium precursor and the parent silicon precursor, and further includes a dopant precursor mixture. The dopant refers to a small amount of impurity metal that replaces a part of the metal cation lattice in the matrix, and includes an activator and a co-activator. Accordingly, the dopant precursor mixture includes an activator precursor and a deactivator precursor. The precursor mixture of the parent forms a (Ti, Si)O 2 lattice by subsequent thermal decomposition, thereby forming the matrix of the UC phosphor particles of the present invention.

상기 모체 티타늄 전구체는 바람직하게는 티타늄의 알콕시화물, 황산 티타늄 수화물(Titanium sulfate hydrate), TiCl4, TiO2 나노 입자 중 선택된 하나 이상일 수 있다. 티타늄의 알콕시화물은 예를 들어 상술한 TTIP일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 또한, 반드시 티타늄의 알콕시화물에 제한되는 것도 아니다. 안정적으로 티타늄(IV)을 제공할 수 있는 배위화합물 중에서 모체 전구체를 선택할 수 있다.The parent titanium precursor is preferably one or more selected from an alkoxide of titanium, titanium sulfate hydrate, TiCl 4 , and TiO 2 nanoparticles. The alkoxide of titanium may be, for example, TTIP described above, but is not necessarily limited thereto, and is not necessarily limited to the alkoxide of titanium. A parent precursor may be selected from coordination compounds capable of stably providing titanium (IV).

상기 모체 실리콘 전구체는 티타늄 산화물 모체에 Si 양이온을 공급하여 상기 모체에서 Ti의 일부를 Si로 치환하며, Si가 일부 치환된 티타늄 산화물 모체는 고온에 대한 안정성이 더욱 우수하다.The parent silicon precursor supplies Si cations to the titanium oxide matrix to replace a part of Ti with Si in the matrix, and the titanium oxide matrix in which Si is partially substituted has better stability to high temperature.

상기 모체 실리콘 전구체는 상술한 TEOS 및 그 외에도 TMOS(Tetramethyl orthosilicate), SiCl4, SiO2 나노 입자 중에서 선택된 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 TEOS일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 안정적으로 Si 양이온을 제공할 수 있는 배위화합물 가운데에서 모체 실리콘 전구체를 선택할 수 있다.The parent silicon precursor may be one or more selected from TEOS and other TMOS (Tetramethyl orthosilicate), SiCl 4 , and SiO 2 nanoparticles, preferably TEOS, but is not necessarily limited thereto. Among the coordination compounds that can stably provide Si cations, the parent silicon precursor can be selected.

상기 분무 용액에는 모체 티타늄 전구체 및 모체 실리콘 전구체 외에도 도펀트 전구체 또한 포함되는데, 이 중 활성제 전구체는 어븀을 포함하며, 바람직하게는 어븀 산화물일 수 있다. 어븀 산화물의 예로는 Er2O3가 있다. 부활성제 전구체는 이터븀을 포함하며 바람직하게는 이터븀 산화물일 수 있다. 이터븀 산화물의 예로는 Yb2O3가 있다.In addition to the parent titanium precursor and the parent silicon precursor, the spray solution also includes a dopant precursor. Among them, the activator precursor includes erbium, and may preferably be erbium oxide. An example of an erbium oxide is Er 2 O 3 . The deactivator precursor comprises ytterbium and may preferably be ytterbium oxide. An example of ytterbium oxide is Yb 2 O 3 .

활성제는 상기 실리콘과 같이 모체 내에서 양이온 격자 자리에 치환되어, 모체 금속으로부터 에너지를 받아 여기(excited)되었다가 바닥 상태(ground state)로 떨어지며 에너지를 방출하며, 발광 과정에 관여하는 에너지를 결정하여 발광 색과 발광 효율에 영향을 미친다. 본 발명에서는 어븀 이온(Er3+)이 활성제의 역할을 한다.The activator is substituted in the cation lattice site in the matrix like the silicon, receives energy from the parent metal and is excited, then falls to the ground state and emits energy, and determines the energy involved in the luminescence process. It affects the luminous color and luminous efficiency. In the present invention, the erbium ion (Er 3+ ) serves as an activator.

또한, 부활성제는 형광체 입자의 발광 효율을 향상시키기 위하여 활성제와 함께 첨가되는 물질로서 활성제와 마찬가지로 에너지를 받아 여기되었다가 바닥 상태로 떨어지면서 활성제로 에너지를 전달하는 역할을 한다. 본 발명에서는 이터븀 이온(Yb3+)이 부활성제의 역할을 한다.In addition, the sub-activator is a material added together with the activator in order 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. In the present invention, the ytterbium ion (Yb 3+ ) serves as a deactivator.

상기 (1) 단계는 바람직하게는 Step (1) is preferably

(1-1) 활성제 및 부활성제 전구체를 용매에 용해시켜 활성용액을 제조하는 단계;와(1-1) preparing an active solution by dissolving an activator and a precursor of a sub-activator in a solvent; and

(1-2) 상기 활성용액에 상기 모체 전구체 혼합물을 첨가하여 분무 용액을 제조하는 단계;(1-2) preparing a spray solution by adding the parent precursor mixture to the active solution;

를 순차적으로 수행하여 분무 용액을 제조하는 방법으로 수행될 수 있다.It can be carried out as a method of preparing a spray solution by performing sequentially.

상기 (1-1) 단계에서는 바람직하게는 활성제 및 부활성제 전구체를 산(acid)으로 녹여 활성용액을 제조할 수 있다. 예를 들어, 상기 활성 용액은 활성제 및 부활성제 전구체를 질산(nitric acid)으로 녹인 수용액일 수 있다. 그러나, 산이 반드시 질산에 한정되는 것은 아니다.In step (1-1), the active solution may be prepared by dissolving the activator and the sub-activator precursor with an acid. For example, the active solution may be an aqueous solution in which an active agent and a de-active agent precursor are dissolved in nitric acid. However, the acid is not necessarily limited to nitric acid.

예를 들어, 활성제 전구체로 Er2O3, 부활성제 전구체로 Yb2O3를 사용하는 경우, 질산에 활성제 전구체와 부활성제 전구체를 녹여 수용액을 제조할 때, 그 반응식은 하기 반응식 1 및 반응식 2와 같다.For example, when Er 2 O 3 as the activator precursor and Yb 2 O 3 as the deactivator precursor are used to prepare an aqueous solution by dissolving the activator precursor and the deactivator precursor in nitric acid, the reaction formulas are the following Reaction Schemes 1 and 2 same as

[반응식 1][Scheme 1]

Er2O3 + 6HNO3→ 2Er(NO3)3 + 3H2OEr 2 O 3 + 6HNO 3 → 2Er(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

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

이어서, 상기 (1-2) 단계에서는 위의 (1-1) 단계에서 제조한 활성 용액에 모체 전구체 혼합물 및 기타 첨가제를 더 첨가하여 분무 용액을 제조할 수 있다. 상기 분무 용액은 바람직하게는 용매가 물인 수용액일 수 있다.Subsequently, in step (1-2), a spray solution may be prepared by further adding the parent precursor mixture and other additives to the active solution prepared in step (1-1) above. The spray solution may preferably be an aqueous solution in which the solvent is water.

상기 분무 용액은 티타늄이 실리콘보다 큰 몰 분율을 가질 수 있다. 바람직하게는 실리콘은 2 mol% 내지 30 mol%의 몰 분율을 가질 수 있다. 실리콘의 몰 분율이 2 mol% 미만일 경우, 열처리 과정에서 모체의 결정상이 아나타제(anatase) 상에서 루타일(rutile) 상으로 상 변화가 많이 일어나 발광 휘도가 감소하거나 발광 특성을 상실할 수 있다. 또한 실리콘의 몰 분율이 30 mol%를 초과할 경우, 제조된 UC 형광체 입자의 결정자 크기가 감소하여 발광 휘도 감소의 원인이 된다.The spray solution may have a greater mole fraction of titanium than silicon. Preferably the silicone may have a mole fraction of 2 mol % to 30 mol %. When the molar fraction of silicon is less than 2 mol%, the crystal phase of the parent undergoes a lot of phase change from anatase to rutile during the heat treatment process, thereby reducing luminance or losing luminescence properties. In addition, when the mole fraction of silicon exceeds 30 mol%, the crystallite size of the prepared UC phosphor particles decreases, which causes a decrease in luminance of light emission.

실리콘의 몰 분율은 더욱 바람직하게는 5 mol% 내지 20 mol%일 수 있다. 실리콘 도펀트의 몰 분율이 5 mol% 내지 20 mol%일 때, 가장 우수한 발광 휘도를 갖는 UC 형광체 입자를 구현할 수 있다.The mole fraction of silicone may more preferably be 5 mol% to 20 mol%. When the molar fraction of the silicon dopant is 5 mol% to 20 mol%, UC phosphor particles having the best luminance of emission can be realized.

상기 분무 용액은 바람직하게는 티타늄의 몰 분율이 금속 가운데 가장 클 수 있다. 따라서, 제조된 UC형광체 입자는 기본적으로 티타늄 산화물의 특성을 갖는다.The spray solution may preferably have the largest mole fraction of titanium among metals. Therefore, the prepared UC phosphor particles basically have the properties of titanium oxide.

상기 분무 용액은 바람직하게는 상기 활성제 및 부활성제를 각각 0.1 mol% 내지 1 mol% 및 2 mol% 내지 10 mol%의 몰 분율로 포함할 수 있다.The spray solution may preferably contain the active agent and the deactivator in a molar fraction of 0.1 mol% to 1 mol% and 2 mol% to 10 mol%, respectively.

만일 상기 조성물에서 상기 활성제의 몰 분율이 0.1 mol% 미만일 경우, 부활성제가 전달하는 에너지를 모두 받지 못하여 UC 형광체 입자의 발광 휘도가 낮아지게 되며, 활성제의 몰 분율이 1 mol% 초과로 과도하게 높은 경우, 활성제 간 비발광 에너지 전달에 의한 농도 소강 현상이 발생하여 휘도가 낮아지게 되는 문제점이 있다.If the molar fraction of the active agent in the composition is less than 0.1 mol%, all of the energy transmitted by the deactivator is not received, so that the luminescence luminance of the UC phosphor particles is lowered, and the molar fraction of the active agent is excessively high in excess of 1 mol% In this case, there is a problem in that the luminance is lowered due to a concentration fading phenomenon due to the transfer of non-luminescent energy between the activators.

또한, 부활성제의 몰 분율이 2 mol% 미만으로 낮은 경우 활성제로 에너지를 충분히 전달하지 못하여 휘도가 낮아지게 되고, 반대로 농도가 10 mol%를 초과하여 지나치게 높은 경우에는 농도 소강(흡수한 빛을 활성제로 전달하기보다는 부활성제 간 비발광 에너지가 전달됨)현상이 발생하여 발광 휘도가 낮아지게 되는 문제점이 있다.)In addition, when the molar fraction of the sub-active agent is low (less than 2 mol%), the energy cannot be sufficiently transferred to the activator and the luminance is lowered. There is a problem in that the non-luminous energy is transmitted between the sub-activators rather than the

구체적으로는 상기 활성제는 어븀 이온(Er3+)일 수 있고, 부활성제는 이터븀 이온(Yb3+)일 수 있다.Specifically, the activator may be an erbium ion (Er 3+ ), and the deactivator may be a ytterbium ion (Yb 3+ ).

(2) 단계(2) step

상기와 같이 제조된 분무 용액은 UC 형광체 입자 조성물로서, 소정의 온도로 가열 및 반응하여 UC 형광체 입자로 제조될 수 있다.The spray solution prepared as described above is a UC phosphor particle composition, and may be heated and reacted to a predetermined temperature to produce UC phosphor particles.

상기 소정의 온도는 바람직하게는 700℃ 내지 1,100℃일 수 있다.The predetermined temperature may be preferably 700 °C to 1,100 °C.

또한, (2) 단계는 바람직하게는 분무열분해(spray pyrolysis) 과정으로 수행될 수 있으며, 분무열분해에 의하는 경우 상압에서의 반응이 가능하고, 밀링 공정을 생략할 수 있는 등 공정의 간소화가 가능한 장점이 있다.In addition, step (2) may be preferably performed as a spray pyrolysis process, and in the case of spray pyrolysis, the reaction at normal pressure is possible, and the process can be simplified, such as omitting the milling process. There are advantages.

분무열분해 과정에 의하는 경우, 바람직하게는In the case of spray pyrolysis, preferably

(2-1) 상기 분무 용액을 분무하여 액적을 형성하는 단계; 및(2-1) forming droplets by spraying the spray solution; and

(2-2) 상기 액적은 열분해 및 건조하여 전구체 분말을 형성하는 단계;를 순차적으로 수행하여 이루어질 수 있다.(2-2) forming the precursor powder by thermally decomposing and drying the droplets; may be performed sequentially.

이러한 분무열분해 단계는 초음파 진동자를 사용하여 액적을 발생시키는 액적 발생부, 고온의 에너지로 열분해가 일어나는 소성로 및 건조되어 생성된 입자가 포집되는 포집부를 포함하는 분무열분해 장치를 이용하여 수행될 수 있다.This spray pyrolysis step may be performed using a spray pyrolysis device including 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 과정에서는 장치가 고온으로 유지되므로, 냉각수를 계속하여 액적 발생부의 진동자 주위로 흘려주는 것이 바람직하며, 액적 발생부에서 발생된 액적의 원활한 흐름을 위하여 약 10 L/min 내지 50 L/min의 유량으로 공기를 흘려 줄 수 있다.Since the device is maintained at a high temperature in the pyrolysis process, it is preferable to continuously flow the cooling water around the vibrator of the droplet generator, and a flow rate of about 10 L/min to 50 L/min for smooth flow of the droplets generated in the droplet generator air can flow through

(3) 단계(3) step

상기 (2) 단계의 반응으로 결정화되어 건조된 전구체 분말을 포집한 후, 열처리를 수행하여 UC 형광체 입자를 제조할 수 있다.After collecting the crystallized and dried precursor powder by the reaction of step (2), heat treatment may be performed to prepare UC phosphor particles.

상기 열처리는 600℃내지 750℃의 온도에서 수행될 수 있다. 열처리 온도가 600℃미만인 경우 결정자(crystallite)가 충분히 성장하지 못하여 발광 휘도가 낮으며, 반대로 열처리 온도가 750℃를 초과하는 경우, 결정자는 충분한 크기로 성장하지만, TiO2의 결정 구조가 아나타제(anatase)에서 루타일(rutile) 상으로 변화가 일어나는 비율이 커져서 UC 형광 특성이 감소하게 되는 문제점이 있다. 따라서 상기 범위 내에서 가장 우수한 발광 휘도를 갖는다.The heat treatment may be performed at a temperature of 600 °C to 750 °C. When the heat treatment temperature is less than 600 ° C, crystallites do not grow sufficiently and the luminance is low. Conversely, when the heat treatment temperature exceeds 750 ° C, the crystallites grow to a sufficient size, but the crystal structure of TiO 2 is anatase ) to the rutile phase is increased, so there is a problem in that the UC fluorescence characteristic is reduced. Therefore, it has the most excellent light emission luminance within the above range.

이하, 본 발명의 제조방법에 따라 얻어지는 업컨버전(UC) 형광체 조성물 및 이로부터 제조되는 UC 형광체 입자에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, an upconversion (UC) phosphor composition obtained according to the production method of the present invention and UC phosphor particles prepared therefrom will be described.

본 발명에 따른 UC 형광체 조성물은 상기 제조방법의 (1) 단계에서 얻어지는 분무 용액을 포함한다.The UC phosphor composition according to the present invention includes the spray solution obtained in step (1) of the above production method.

즉, 본 발명에 따른 UC 형광체 조성물은 티타늄과 실리콘을 각각 포함하는 모체 전구체 혼합물; 어븀과 이터븀을 각각 포함하는 도펀트 전구체 혼합물을 포함한다. 상술한 바와 같이 어븀은 모체의 금속 양이온 격자에서 치환되어 활성제 역할을 하며, 이터븀은 부활성제 역할을 한다.That is, the UC phosphor composition according to the present invention may include a parent precursor mixture including titanium and silicon, respectively; and a dopant precursor mixture comprising erbium and ytterbium, respectively. As described above, erbium acts as an activator by being substituted in the metal cation lattice of the parent, and ytterbium acts as a deactivator.

여기서 모체 전구체, 활성제 전구체, 부활성제 전구체, 실리콘 도펀트 전구체의 종류 및 그 역할과 함량에 관한 사항은 상기 서술한 바와 같으므로 이하 설명은 생략한다.Here, the types, roles and contents of the parent precursor, the activator precursor, the deactivator precursor, and the silicon dopant precursor are the same as those described above, and thus a description thereof will be omitted.

본 발명에 따른 UC 형광체 입자는 상기 UC 형광체 조성물을 가열 반응 및 건조하여 제조되며, 이는 상기 제조방법에서 서술하였던 바와 같다.The UC phosphor particles according to the present invention are prepared by heating and drying the UC phosphor composition, as described above in the production method.

본 발명에 따른 UC 형광체 입자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.The UC phosphor particles according to the present invention are characterized in that they include a compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

(Ti1-x-y-zSixEryYbz)O2 (Ti 1-xyz Si x Er y Yb z )O 2

상기 화학식 1에서, 0.02≤x+y+z≤0.4이다.In Formula 1, 0.02≤x+y+z≤0.4.

따라서, 상기 화학식 1의 화합물에서 양이온 격자에는 Ti가 0.5 이상의 함량으로 가장 큰 몰 분율을 차지하며, 따라서 본 발명에 따른 UC 형광체 입자가 TiO2 결정의 성질을 가짐은 상술한 바와 같다.Therefore, in the compound of Formula 1, Ti occupies the largest mole fraction in the cation lattice with a content of 0.5 or more, and thus, the UC phosphor particles according to the present invention have TiO 2 crystal properties as described above.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 조건 1) 내지 3) 중 적어도 하나를 만족할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, Chemical Formula 1 may satisfy at least one of the following conditions 1) to 3).

1) 0.02≤x≤0.31) 0.02≤x≤0.3

2) 0.001≤y≤0.012) 0.001≤y≤0.01

3) 0.02≤z≤0.1.3) 0.02≤z≤0.1.

상기 조건 1)은 실리콘 도펀트의 함량에 관한 것이며, 조건 2) 및 3)은 각각 활성제와 부활성제의 함량에 관한 것으로서, 이에 따른 효과로서는 상술한 바와 같으므로, 상세한 설명은 생략한다.The above condition 1) relates to the content of the silicon dopant, and conditions 2) and 3) relate to the contents of the activator and the deactivator, respectively, and the effects thereof are the same as described above, and thus a detailed description thereof will be omitted.

또한, 본 발명의 바람직한 일실시예 따르면, UC 형광체 입자의 평균 결정자(crystallite) 크기(Dc)가 4.5nm 내지 20nm일 수 있다. Dc가 4.5nm보다 작을 경우, 발광 휘도가 감소할 수 있으며, 결정가 크기가 20nm를 초과하는 경우, 발광 휘도는 증가하지만, 오히려 결정자 크기를 증가시키는 과정에서 루타일 상이 증가하기 때문에 발광 휘도가 감소하며, UC 형광 특성 자체를 상실할 수도 있다.In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, the average crystallite size (Dc) of the UC phosphor particles may be 4.5 nm to 20 nm. When Dc is smaller than 4.5 nm, the emission luminance may decrease. When the crystal valence size exceeds 20 nm, the emission luminance increases, but rather, the luminance decreases because the rutile phase increases in the process of increasing the crystallite size. , the UC fluorescence properties themselves may be lost.

상기 결정자 크기 Dc는 하기 관계식 2에 의하여 계산될 수 있다.The crystallite size Dc may be calculated by the following Relational Equation (2).

[관계식 2][Relational Expression 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 관계식 2에서, k는 Scherrer 상수로, 그 값은 0.9이고, λ는 X선 파장 0.1542nm이고, βs는 XRD 스펙트럼에서 피크의 반치폭(FWHM), θ는 중심 회절 각을 나타낸다.In Relation 2, k is a Scherrer constant, its value is 0.9, λ is an X-ray wavelength of 0.1542 nm, β s is a peak width at half maximum (FWHM) in an XRD spectrum, and θ is a central diffraction angle.

또한, 본 발명에 따른 UC 형광체 입자는 결정 구조에서 하기 관계식 1에 따라 구해지는 %Rutile이 15% 이하일 수 있다.In addition, in the UC phosphor particles according to the present invention, the %Rutile obtained according to the following relation 1 in the crystal structure may be 15% or less.

[관계식 1][Relational Expression 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 관계식 1에서, A는 상기 UC 형광체 입자의 XRD 패턴에 나타난 피크 가운데 2θ가 25.3±0.2˚인 영역에서 최고점을 갖는 피크의 영역(area), R은 상기 UC 형광체 입자의 XRD 패턴에 나타난 피크 가운데 2θ가 27.4±0.2˚인 영역에서 최고점을 갖는 피크의 영역(area)을 나타낸다.In Relation 1, A is the area of the peak having the highest point in the region where 2θ is 25.3±0.2˚ among the peaks shown in the XRD pattern of the UC phosphor particle, and R is the peak area of the peak shown in the XRD pattern of the UC phosphor particle. The area of the peak having the highest point in the region where 2θ is 27.4±0.2° is indicated.

이는 UC형광체 입자의 제조과정 중 열처리 단계에서 TiO2의 아나타제 상이 열에 의하여 루타일 상으로 변화된 정도를 나타내며, %Rutile이 커질수록 상변이의 정도가 크다는 것을 나타낸다. This indicates the degree to which the anatase phase of TiO 2 is changed to the rutile phase by heat in the heat treatment step during the manufacturing process of the UC phosphor particles, and indicates that the higher the %Rutile, the greater the degree of phase change.

%Rutile이 15%를 초과하면, 아나타제 상의 UC 형광 특성이 적어져서 상기 형광체 입자를 보안성 잉크로 사용하기에는 발광휘도가 충분하지 않을 수 있다.When the %Rutile exceeds 15%, the UC fluorescence properties of the anatase phase may be reduced, so that the luminance may not be sufficient to use the phosphor particles as a security ink.

이하에서는 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 하기의 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있는 것이고 이들 모두 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples, and the present invention may be embodied in various different forms, all of which are included in the scope of the present invention.

<실시예><Example>

실시예 1: UC 형광체 입자 제조Example 1: Preparation of UC Phosphor Particles

(1) 분무 용액 제조(1) Preparation of spray solution

활성제 전구체로 Er2O3(Alfa Aesar社, 순도 99.9%), 부활성제 전구체로 Yb2O3(Alfa Aesar社, 순도 99.9%)를 선택하였으며, 각각 질산으로 녹여 활성 용액을 제조하였다.Er 2 O 3 (Alfa Aesar, 99.9% purity) was selected as the activator precursor, and Yb 2 O 3 (Alfa Aesar, 99.9% purity) was selected as the deactivator precursor, and an active solution was prepared by dissolving each with nitric acid.

활성 용액 제조를 위해 각각 물(H2O) 50 ml가 들어 있는 1,000 ml 둥근 삼각 플라스크에 Er2O3 2g과 Yb2O3 10g을 각각 넣어 준 후, 질산(HNO3)을 천천히 첨가하면서 녹여 주었다. 녹는 과정에서 나오는 발열을 막기 위해 중간에 증류수를 조금씩 첨가해 준다. 질산의 양은 Er2O3 또는 Yb2O3의 몰 수 대비 10배 몰 수를 사용하였다. 산화물이 완전히 녹아 투명한 수용액이 되면 증류수를 더 부어 총 1,000g이 되도록 맞춰 주어 2 wt% Er 활성제 용액과 10wt% Yb 부활성제 용액을 제조하였다.To prepare an active solution, put Er 2 O 3 2g and Yb 2 O 3 10g in a 1,000 ml round Erlenmeyer flask each containing 50 ml of water (H 2 O), respectively, and then dissolve while slowly adding nitric acid (HNO 3 ). gave. Distilled water is added little by little in the middle to prevent the heat generated during the melting process. As for the amount of nitric acid, 10 times the number of moles compared to the number of moles of Er 2 O 3 or Yb 2 O 3 was used. When the oxide was completely dissolved to form a transparent aqueous solution, distilled water was added to make a total of 1,000 g, and a 2 wt% Er activator solution and 10 wt% Yb deactivator solution were prepared.

모체 조성에서 82.7mol% Ti, 10 mol%의 Si, 0.3 mol% 및 7.0mol%의 Yb를 포함하는 분무 용액은 다음과 같이 제조하였다. 60% 질산 수용액 45 ml와 물 300 ml가 들어 있는 500 ml 비커에 TiO2 전구체인 TTIP(Sigma Aldrich社, 순도 97%) 48.46g을 천천히 첨가한 후, 맑은 용액이 될 때까지 교반하였다. 다른 500 ml 들이 비커에는 물 100 ml와 질산 5 ml를 넣고 실리콘 전구체 TEOS(Sigma Aldrich社, 순도 98%) 용액 4.25g을 녹였다. TTIP 및 TEOS 수용액을 혼합한 후, 활성 용액을 첨가하였다. 이 때, 각 활성 용액의 무게는 Er2O3 0.115g, Yb2O3 2.76g이 포함되도록 하였다. 그 후, 증류수를 첨가하여 총 용액 부피가 1,000 ml가 되도록 하였다. 형광체 전구체가 녹아 있는 용액의 총 농도를 0.2 M로 고정시켰다.A spray solution containing 82.7 mol% Ti, 10 mol% Si, 0.3 mol% and 7.0 mol% Yb in the parent composition was prepared as follows. To a 500 ml beaker containing 45 ml of 60% aqueous nitric acid solution and 300 ml of water , 48.46 g of TiO 2 precursor TTIP (Sigma Aldrich, purity 97%) was slowly added, followed by stirring until it became a clear solution. In another 500 ml beaker, 100 ml of water and 5 ml of nitric acid were put, and 4.25 g of a silicon precursor TEOS (Sigma Aldrich, 98% purity) solution was dissolved. After mixing the aqueous solution of TTIP and TEOS, the active solution was added. At this time, the weight of each active solution was to contain Er 2 O 3 0.115 g, Yb 2 O 3 2.76 g. Then, distilled water was added so that the total solution volume was 1,000 ml. The total concentration of the solution in which the phosphor precursor was dissolved was fixed at 0.2 M.

제조된 UC 형광체 입자는 (Ti1-x-y-zSixEryYbz)O2의 화학식을 가지며, 상기 화학식에서 x는 0.1, y 및 z는 각각 0.003 및 0.07이었다.The prepared UC phosphor particles had a chemical formula of (Ti 1-xyz Si x Er y Yb z )O 2 , where x was 0.1 and y and z were 0.003 and 0.07, respectively.

(2) 분무열분해(2) Spray pyrolysis

상기 분무용액을 분무열분해장치를 이용하여 분무열분해를 수행하여 전구체 분말을 수득하였다.The spray solution was subjected to spray pyrolysis using a spray pyrolysis device to obtain a precursor powder.

구체적인 방법은, 상기 분무 용액을 분무통에 넘치지 않도록 200 ml씩 나누어 넣어 가며, 900℃온도에서 공기를 유량 30L/min으로 흘려 보내 분무 및 열분해하여, 결정화된 파우더 즉 전구체 분말을 회수하였다.In a specific method, 200 ml of the spraying solution is divided so as not to overflow the spray bottle, and air is flowed at a temperature of 900° C. at a flow rate of 30 L/min to spray and thermally decompose, thereby recovering the crystallized powder, that is, the precursor powder.

(3) 열처리 단계(3) heat treatment step

얻어진 전구체 분말을 700℃에서 동안 3시간 동안 열처리하였다. 열처리 동안 600 cc/min의 유량으로 공기를 흘려 주었다.The obtained precursor powder was heat treated at 700° C. for 3 hours. During the heat treatment, air was flowed at a flow rate of 600 cc/min.

열처리를 통하여 UC 형광체 입자를 얻었다.UC phosphor particles were obtained through heat treatment.

실시예 2 내지 실시예42: UC 형광체 입자 제조Examples 2 to 42: Preparation of UC Phosphor Particles

실시예 1과 동일하게 실시하되, Si 몰 분율, 열처리 온도를 하기 표 1과 같이 변경한 점을 다르게 하여 UC 형광체 입자를 제조하였다.UC phosphor particles were prepared in the same manner as in Example 1 except that the Si mole fraction and the heat treatment temperature were changed as shown in Table 1 below.

구분division (Zr1-x-y-zSixEryYbz)O2
에서 x
(Zr 1-xyz Si x Er y Yb z )O 2
at x
열처리 온도(℃)Heat treatment temperature (℃)
실시예 2Example 2 0.10.1 500500 실시예 3Example 3 0.10.1 600600 실시예 4Example 4 0.10.1 800800 실시예 5Example 5 0.10.1 900900 실시예 6Example 6 0.10.1 1,0001,000 실시예 7Example 7 0.0250.025 500500 실시예 8Example 8 0.0250.025 600600 실시예 9Example 9 0.0250.025 700700 실시예 10Example 10 0.0250.025 800800 실시예 11Example 11 0.0250.025 900900 실시예 12Example 12 0.0250.025 1,0001,000 실시예 13Example 13 0.050.05 500500 실시예 14Example 14 0.050.05 600600 실시예 15Example 15 0.050.05 700700 실시예 16Example 16 0.050.05 800800 실시예 17Example 17 0.050.05 900900 실시예 18Example 18 0.050.05 1,0001,000 실시예 19Example 19 0.150.15 500500 실시예 20Example 20 0.150.15 600600 실시예 21Example 21 0.150.15 700700 실시예 22Example 22 0.150.15 800800 실시예 23Example 23 0.150.15 900900 실시예 24Example 24 0.150.15 1,0001,000 실시예 25Example 25 0.20.2 500500 실시예 26Example 26 0.20.2 600600 실시예 27Example 27 0.20.2 700700 실시예 28Example 28 0.20.2 800800 실시예 29Example 29 0.20.2 900900 실시예 30Example 30 0.20.2 1,0001,000 실시예 31Example 31 0.30.3 500500 실시예 32Example 32 0.30.3 600600 실시예 33Example 33 0.30.3 700700 실시예 34Example 34 0.30.3 800800 실시예 35Example 35 0.30.3 900900 실시예 36Example 36 0.30.3 1,0001,000 실시예 37Example 37 0.50.5 500500 실시예 38Example 38 0.50.5 600600 실시예 39Example 39 0.50.5 700700 실시예 40Example 40 0.50.5 800800 실시예 41Example 41 0.50.5 900900 실시예 42Example 42 0.50.5 1,0001,000

비교예 1 내지 비교예 6: UC 형광체 입자 제조Comparative Examples 1 to 6: Preparation of UC phosphor particles

실시예 1과 동일하게 실시하되, Si 몰 분율, 열처리 온도를 하기 표 2와 같이 변경한 점을 다르게 하여 UC 형광체 입자를 제조하였다.UC phosphor particles were prepared in the same manner as in Example 1 except that the Si mole fraction and the heat treatment temperature were changed as shown in Table 2 below.

구분division (Zr1-x-y-zSixEryYbz)O2
에서 x
(Zr 1-xyz Si x Er y Yb z )O 2
at x
열처리 온도heat treatment temperature
비교예 1Comparative Example 1 00 500500 비교예 2Comparative Example 2 00 600600 비교예 3Comparative Example 3 00 700700 비교예 4Comparative Example 4 00 800800 비교예 5Comparative Example 5 00 900900 비교예 6Comparative Example 6 00 1,0001,000 비교예 7Comparative Example 7 0.10.1 열처리 안함No heat treatment

<실험예><Experimental example>

실험예 1: 보안성 잉크 제작 및 발광 현상 확인Experimental Example 1: Security ink production and light emission confirmation

실시예 1에 따른 형광체 입자 분말을 10% PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드)와 BYK 분산제를 아래와 같이 혼합하여 보안성 잉크를 제조하였다.A security ink was prepared by mixing the phosphor particle powder according to Example 1 with 10% PVDF (polyvinylidene fluoride) and a BYK dispersant as follows.

실시예 1에 따른 형광체 분말 1g, PVDF(10%) 1g, BYK 0.03g을 시료 통에 넣고 원심분리 믹서(centrifugal mixer)를 사용하여 3분간 혼합해 주었다.1 g of the phosphor powder according to Example 1, 1 g of PVDF (10%), and 0.03 g of BYK were placed in a sample container and mixed for 3 minutes using a centrifugal mixer.

이후, 그래파이트로 마크 종이의 두께를 측정하여 두께와 마크 틀 사이에 간격을 조정해 스크린프린터에 위치시키고 진공을 가해 종이가 장치에서 떨어지지 않게 고정시켰다.Then, by measuring the thickness of the mark paper with graphite, the gap between the thickness and the mark frame was adjusted, placed in a screen printer, and vacuum was applied to fix the paper so that it does not fall from the device.

이후, 상기 잉크를 발라 마크를 찍어낸 후, 마를 때까지 건조시켰다.Thereafter, the ink was applied to make a mark, and then dried until dry.

975nm IR 레이저를 가해 발광을 확인한 결과 도 13과 같이 노란색으로 발광되는 것을 관찰할 수 있었다.As a result of confirming light emission by applying a 975 nm IR laser, it was observed that yellow light was emitted as shown in FIG. 13 .

실험예 2: TEM, EDX 매핑 이미지 관측Experimental Example 2: TEM, EDX mapping image observation

실시예 1 및 9에 따른 형광체 입자에 대하여 TEM, EDX 이미지를 관측하였다.TEM and EDX images were observed for the phosphor particles according to Examples 1 and 9.

실시예 1에 따른 TEM, EDX 이미지는 각각 11a 및 12a에, 실시예 9에 따른 TEM, EDX 이미지는 각각 11b 및 12b에 나타내었다.TEM and EDX images according to Example 1 are shown in 11a and 12a, respectively, and TEM and EDX images according to Example 9 are shown in 11b and 12b, respectively.

도 11을 참고하면, 제조된 형광체 입자는 구형으로 미세하고, 전형적인 아나타제 티타니아(TiO2) 결정 구조를 가진다. 도 12b를 참조하면, 첨가한 Si, Er 및 Yb는 입자 전체에 균일하게 잘 분포하고 있는 것을 알 수 있다. 이로부터 Si는 TiO2 격자 내에 잘 분산되어 있고, 균일한 조성의 (Ti, Si, Er, Yb)O2 형광체 입자가 제조되었음을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 11 , the prepared phosphor particles are spherical and fine, and have a typical anatase titania (TiO 2 ) crystal structure. Referring to FIG. 12B , it can be seen that the added Si, Er, and Yb are uniformly and well distributed throughout the particles. From this, it was confirmed that Si was well dispersed in the TiO 2 lattice, and (Ti, Si, Er, Yb)O 2 phosphor particles having a uniform composition were prepared.

실험예 3: 열처리 온도 및 Si 몰 분율에 따른 업컨버전 발광 특성Experimental Example 3: Upconversion luminescence characteristics according to heat treatment temperature and Si mole fraction

1) Si 도핑을 하지 않은 형광체 입자: 열처리 온도와 발광 특성1) Si-doped phosphor particles: heat treatment temperature and luminescence characteristics

비교예 1 내지 6에 따른 형광체 입자에 PL 측정장비인 Perkin Elmer, LS 55, fluorescence spectrometer를 사용하여 975nm IR 레이저를 노광하여 방출 스펙트럼을 작성하였다. 조건은 Slit 15, scan speed 1,200 nm/s으로 biolum mode에서 진행하였으며, 그 결과를 각각 도 5a에 도시하였다. 또한, 최대 강도를 나타내는 파장에서의 방출 강도를 온도에 따라 도시한 그래프는 도 5c에 나타내었다.Emission spectra were prepared by exposing the phosphor particles according to Comparative Examples 1 to 6 to 975 nm IR laser using a PL measuring device, Perkin Elmer, LS 55, and a fluorescence spectrometer. Conditions were performed in biolum mode with Slit 15, scan speed 1,200 nm/s, and the results are shown in FIG. 5A, respectively. In addition, a graph showing emission intensity at a wavelength showing the maximum intensity according to temperature is shown in FIG. 5C .

도 5c를 참조하면, 600~750℃를 벗어나는 범위에서 방출 강도가 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 5c , it was confirmed that the emission intensity was significantly reduced in the range out of 600 to 750°C.

또한, 비교예 1내지 6에 따른 형광체 입자를 X선 회절기(MiniFlex 300/600)을 이용하여 결정상, 결정자 크기(Dc)및 %Rutile을 확인하였다.In addition, the crystalline phase, crystallite size (Dc), and %Rutile of the phosphor particles according to Comparative Examples 1 to 6 were confirmed using an X-ray diffractometer (MiniFlex 300/600).

그 결과는 도 6및 하기 표 3에 나타내었다.The results are shown in FIG. 6 and Table 3 below.

도 6을 확인하면, 800℃부터는 결정자의 크기가 크게 증가하지만, 루타일 상의 결정 구조가 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 750℃ 이상의 온도로 열처리하는 경우상변화로 UC 형광 특성을 상실하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6 , it can be seen that the crystallite size increases significantly from 800° C., but the rutile phase crystal structure appears. Therefore, it can be seen that the UC fluorescence properties are lost due to a phase change in the case of heat treatment at a temperature of 750° C. or higher.

구분division 열처리 온도
(℃)
heat treatment temperature
(℃)
%rutile%rutile 결정자 크기(nm)Crystalline size (nm)
아나타제anatase 루타일rutile 비교예 1Comparative Example 1 500500 0.00.0 5.55.5 -- 비교예 2Comparative Example 2 600600 0.00.0 6.26.2 -- 비교예 3Comparative Example 3 700700 12.712.7 7.97.9 1.21.2 비교예 4Comparative Example 4 800800 59.559.5 14.014.0 33.933.9 비교예 5Comparative Example 5 900900 100.0100.0 0.00.0 42.642.6 비교예 6Comparative Example 6 1,0001,000 100.0100.0 0.00.0 47.847.8

또한, 표 3을 확인하면, 열처리 온도가 700℃일 때부터 rutile 상이 발생하기 시작하여 800℃를 넘으면 rutile상이 지배적이 되어 사실상 아나타제 상의 업컨버전 형광 특성을 거의 상실한다는 것을 알 수 있다.In addition, when checking Table 3, it can be seen that the rutile phase starts to occur when the heat treatment temperature is 700° C., and when it exceeds 800° C., the rutile phase becomes dominant and virtually loses the upconversion fluorescence properties of the anatase phase.

2) Si 도펀트를 갖는 형광체 입자: 열처리 온도와 발광 특성2) Phosphor particles having Si dopant: heat treatment temperature and light emission characteristics

실시예 1 내지 6의 형광체 입자의 PL 스펙트럼을 동일한 방법으로 작성하여 도 5b에 도시하였으며, 도 5c에는 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 6의 최대 방출 강도를 갖는 파장에서의 방출 강도를 온도에 따라 도시한 그래프를 나타내었다.The PL spectra of the phosphor particles of Examples 1 to 6 were prepared in the same way and shown in FIG. 5B, and in FIG. 5C, the emission intensity at a wavelength having the maximum emission intensity of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 6 is shown at the temperature. A graph is shown according to

도 5b 및 5c를 참조하면, Si 도핑이 되어 있든 되어 있지 않든 600℃내지 750℃의 온도로 열처리한 형광체 입자에서 우수한 방출 강도를 갖는 것을 알 수 있고, 750℃를 넘는 온도로 열처리하는 경우, 피크에서의 방출 강도가 현저히 낮아지는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 5B and 5C, it can be seen that the phosphor particles heat-treated at a temperature of 600°C to 750°C, whether or not Si doped, have excellent emission intensity, and when heat-treated at a temperature exceeding 750°C, peak It can be seen that the emission intensity is significantly lowered.

실시예 1 내지 6 및 비교예 7에 따른 형광체 입자의 XRD 패턴을 도 7에 나타내었다. Si 몰 분율이 10 mol%인 실시예 1 내지 6 및 비교예 7에 따른 형광체 입자는 100℃에서 열처리하더라도 루타일 상의 패턴이 거의 나타나지 않는 것을 알 수 있었으나, 열처리 온도가 750℃를 넘는 경우에는 아나타제 상의 패턴이 흐려지며, 1000℃를 넘는 경우에는 아나타제 상과는 패턴이 달라지는 것을 알 수 있었다. 따라서 750℃ 이하의 온도에서 열처리하는 것이 바람직함을 알 수 있었고, 아예 열처리하지 않은 비교예 7에 따른 형광체 입자는 결정자 크기가 너무 작아 좋은 형광 특성을 나타낼 수 없는 것으로 평가 되었다.The XRD patterns of the phosphor particles according to Examples 1 to 6 and Comparative Example 7 are shown in FIG. 7 . It was found that the phosphor particles according to Examples 1 to 6 and Comparative Example 7 having a Si mole fraction of 10 mol% hardly showed a rutile phase pattern even after heat treatment at 100° C., but when the heat treatment temperature was over 750° C., anatase It was found that the pattern of the phase was blurred, and when it exceeded 1000°C, the pattern was different from that of the anatase phase. Therefore, it was confirmed that heat treatment at a temperature of 750° C. or less was preferable, and it was evaluated that the phosphor particles according to Comparative Example 7, which were not heat treated at all, had too small crystallite size to exhibit good fluorescence properties.

또한, 실시예 1 내지 6에 따른 형광체 입자의 결정자 크기와 루타일 상의 비율을 하기 표 4에 나타내었다.In addition, the crystallite size and the ratio of the rutile phase of the phosphor particles according to Examples 1 to 6 are shown in Table 4 below.

구분division 열처리 온도
(℃)
heat treatment temperature
(℃)
%Rutile%Rutile 결정자 크기(nm)Crystalline size (nm)
아나타제상anatase prize 루타일상Rutile Award 실시예 1Example 1 700700 0.00.0 6.86.8 -- 실시예 2Example 2 500500 0.00.0 5.85.8 -- 실시예 3Example 3 600600 0.00.0 6.06.0 -- 실시예 4Example 4 800800 0.00.0 5.95.9 -- 실시예 5Example 5 900900 9.69.6 10.510.5 1.21.2 실시예 6Example 6 10001000 27.927.9 20.820.8 32.132.1

상기 표 4를 참조하면, Si의 몰 분율이 10 mol%인 실시예 1 내지 실시예 6에 따른 형광체 입자는 열처리 온도가 750℃를 넘어도 %rutile이 크게 증가하지 않고, 900℃까지는 %Rutile이 15% 미만으로 낮게 유지되어 우수한 형광 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to Table 4, in the phosphor particles according to Examples 1 to 6 in which the mole fraction of Si is 10 mol%, the %rutile does not significantly increase even when the heat treatment temperature exceeds 750°C, and the %Rutile does not increase until 900°C. It can be seen that it is maintained as low as less than 15% and exhibits excellent fluorescence properties.

이러한 차이는 도 8에 도시하였다. 도 8은 Si 몰 분율이 0 mol%인 비교예 1 내지 6 및 Si 몰 분율이 10 mol%인 실시예 1 내지 6에 따른 UC형광체 입자의 열처리 온도에 따른 %Rutile과 결정자 크기의 상관관계를 나타낸 그래프이다.This difference is shown in FIG. 8 . 8 is a graph showing the correlation between %Rutile and crystallite size according to heat treatment temperature of UC phosphor particles according to Comparative Examples 1 to 6 in which the Si mole fraction is 0 mol% and Examples 1 to 6 in which the Si mole fraction is 10 mol%. It is a graph.

도 8을 참조하면, 비교예에 따른 형광체 입자가 열처리 온도가 상승함에 따라서 %rutile이 현저히 상승하는 데 반하여, 10 mol% Si를 갖는 실시예의 형광체 입자는 열처리 온도 상승에 따른 %Rutile 변화가 크지 않음을 알 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 형광체 입자가 온도에 대한 내구성이 우수하다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 8 , while the %rutile of the phosphor particles according to the comparative example significantly increased as the heat treatment temperature increased, the phosphor particles of the example having 10 mol% Si did not show a significant change in %rutile as the heat treatment temperature increased. can be known Therefore, it can be seen that the phosphor particles according to the embodiment have excellent durability against temperature.

3) Si 몰 분율과 발광 특성3) Si mole fraction and luminescence properties

실시예 1 내지 42 및 비교예 1 내지 6에 따른 형광체 입자의 PL 스펙트럼에서 최대 방출 강도를 갖는 파장에서의 방출 강도를 온도와의 상관관계로 나타낸 그래프를 도 9에 도시하였으며, 실시예 1, 9, 15, 21, 27, 33, 39 및 비교예 3에 따른 형광체 입자의 PL 스펙트럼을 도 10a에 도시하였다.9 is a graph showing the emission intensity at the wavelength having the maximum emission intensity in the PL spectrum of the phosphor particles according to Examples 1 to 42 and Comparative Examples 1 to 6 in correlation with temperature, and Examples 1 and 9 , 15, 21, 27, 33, 39 and PL spectra of the phosphor particles according to Comparative Example 3 are shown in FIG. 10A .

또한, 실시예 1, 9, 15, 21, 27, 33, 39 및 비교예 3에 따른 형광체 입자의 PL 스펙트럼에서 최대 방출 강도를 갖는 파장에서의 방출 강도를 Si 몰 분율과의 상관관계로 나타낸 그래프를 도 10b에 도시하였고, 이들의 XRD 패턴과 결정자 크기를 도 10c에 나타내었다.In addition, a graph showing the emission intensity at the wavelength having the maximum emission intensity in the PL spectrum of the phosphor particles according to Examples 1, 9, 15, 21, 27, 33, 39 and Comparative Example 3 in correlation with the Si mole fraction are shown in FIG. 10b, and their XRD patterns and crystallite sizes are shown in FIG. 10c.

도 10b를 참조하면, Si 몰 분율이 10 mol%일 때 가장 우수한 방출 강도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. Si 몰 분율이 30 mol%를 넘는 경우에는 몰분율이 증가할수록 방출 강도가 현저히 감소하는 것을 알 수 있었다.Referring to FIG. 10B , it was confirmed that the Si mole fraction had the best emission intensity when the Si mole fraction was 10 mol%. When the Si mole fraction was more than 30 mol%, it was found that the emission intensity significantly decreased as the mole fraction increased.

이것은 도 10c를 참조하여서도 확인할 수 있다. Si 몰 분율이 10 mol%를 넘으면서부터는 점차 아나타제 상의 XRD 패턴이 흐릿해지며, 결정자 크기도 감소하여 UC형광 특성이 나빠진다는 것을 알 수 있었다.This can also be confirmed with reference to FIG. 10C. As the Si mole fraction exceeded 10 mol%, it was found that the XRD pattern of the anatase phase gradually became blurred, and the crystallite size was also reduced, thereby deteriorating the UC fluorescence properties.

Claims (12)

(1) 티타늄(Titanium, Ti)과 실리콘(Silicon, Si)을 각각 포함하는 모체(host) 전구체 혼합물, 어븀(Erbium, Er)과 이터븀(Ytterbium, Yb)을 각각 포함하는 도펀트(dopant) 전구체 혼합물을 용매에 용해시켜 분무 용액(spray solution)을 제조하는 단계;
(2) 상기 분무 용액을 소정의 온도로 가열 및 반응시킨 후 건조하여 전구체 분말(precursor powder)을 수득하는 단계; 및
(3) 상기 전구체분말을 열처리하는 단계;를 포함하는 업컨버전(UC)형광체 입자 제조방법.
(1) A host precursor mixture containing titanium (Titanium, Ti) and silicon (Si), respectively, and a dopant precursor containing erbium (Er) and ytterbium (Ytterbium, Yb), respectively dissolving the mixture in a solvent to prepare a spray solution;
(2) heating and reacting the spray solution to a predetermined temperature and drying the spray solution to obtain a precursor powder; and
(3) heat-treating the precursor powder; up-conversion (UC) phosphor particle manufacturing method comprising a.
제1항에 있어서,
상기 (2) 단계는 분무열분해(spray pyrolysis)법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
The step (2) is a method for producing UC phosphor particles, characterized in that performed by a spray pyrolysis method.
제1항에 있어서,
상기 분무 용액에서 티타늄이 실리콘보다 큰 몰 분율을 갖는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
UC phosphor particle manufacturing method, characterized in that titanium has a greater molar fraction than silicon in the spray solution.
제1항에 있어서,
상기 (3) 단계는 600℃내지 750℃의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
The step (3) is a UC phosphor particle manufacturing method, characterized in that heat treatment at a temperature of 600 ℃ to 750 ℃.
제1항에 있어서,
상기 (1) 단계에서는 실리콘의 몰 분율이 2 mol% 내지 30 mol%인 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
In step (1), the mole fraction of silicon is 2 mol% to 30 mol% UC phosphor particle manufacturing method, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 분무 용액은 상기 어븀 및 이터븀을 0.1 mol% 내지 1 mol% 및 2 mol% 내지 10 mol%의 몰 분율로 포함하는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
The spray solution comprises the erbium and ytterbium in a mole fraction of 0.1 mol% to 1 mol% and 2 mol% to 10 mol% UC phosphor particle manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 (2) 단계는 700℃내지 1,100℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자 제조방법.
According to claim 1,
The step (2) is a UC phosphor particle manufacturing method, characterized in that it is carried out at a temperature of 700 ℃ to 1,100 ℃.
티타늄과 실리콘을 각각 포함하는 모체 전구체 혼합물, 및 어븀과 이터븀을 각각 포함하는 도펀트 전구체 혼합물을 포함하는 UC 형광체 조성물.A UC phosphor composition comprising a parent precursor mixture comprising titanium and silicon, respectively, and a dopant precursor mixture comprising erbium and ytterbium, respectively. 제8항에 있어서,
실리콘이 2 mol% 내지 30 mol%의 몰 분율을 갖도록 포함된 것을 특징으로 하는 UC 형광체 조성물.
9. The method of claim 8,
A UC phosphor composition comprising silicone to have a mole fraction of 2 mol% to 30 mol%.
제8항에 따른 UC형광체 조성물을 반응시켜 제조되며, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 UC 형광체 입자:
[화학식 1]
(Ti1-x-y-zSixEryYbz)O2
상기 화학식 1에서, 0.02≤x+y+z≤0.4이다.
UC phosphor particles prepared by reacting the UC phosphor composition according to claim 8 and comprising a compound represented by the following formula (1):
[Formula 1]
(Ti 1-xyz Si x Er y Yb z )O 2
In Formula 1, 0.02≤x+y+z≤0.4.
제10항에 있어서,
상기 화학식 1은 하기 조건 1) 내지 3) 중 적어도 하나를 만족하는 것을 특징으로 하는 UC 형광체 입자:
1) 0.02≤x≤0.3
2) 0.001≤y≤0.01
3) 0.02≤z≤0.1.
11. The method of claim 10,
Formula 1 is a UC phosphor particle, characterized in that it satisfies at least one of the following conditions 1) to 3):
1) 0.02≤x≤0.3
2) 0.001≤y≤0.01
3) 0.02≤z≤0.1.
제10항에 따른 UC 형광체 입자를 포함하는 형광 잉크.A fluorescent ink comprising the UC phosphor particles according to claim 10 .
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