디스플레이용 Y₃Al_(5)O_(12) : Ce^(3+) 나노형광체 제조 및 특성 = Preparation and Characteristics of Y₃Al_(5)O_(12) : Ce^(3+) Nano-Phosphor for Display

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 백색 LED에 사용되고 있는 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체를 고상반응법과 연소합성법으로 제조하였다. 고상반응법으로 제조된 형광체는 소결온도에 따른 결정 특성, 발광 특성 및 입자 크기의 분석을 하였다. 그리고 고상반응법의 단점을 극복하기 위하여 저온공정으로 미립의 입자가 균일하게 얻어지고, 외부의 추가적인 열원이 없이 연료물질과 nitrate 이온의 발열반응만으로 비교적 짧은 시간에 간단하게 형광체의 합성이 가능한 연소합성법으로 소결온도, Ce³^+ 농도, 반응제 비율 및 전체 금속이온 농도의 변수로 제조하였고, 결정 특성, 발광 특성 및 입자 크기의 분석을 통하여 최적의 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체를 제조하였다.
고상반응법에 의한 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체는 1550℃의 높은 소결온도에서도 YAP와 같은 불순물 상이 검출되었고, 입자 크기는 0.5 ∼ 1.0㎛의 불규칙한 분포를 나타내었다. PL 발광 스펙트럼 측정 결과 온도증가에 따라 intensity가 증가하였고, XRD 패턴과 비교해 보면 YAP 불순물 상의 감소에 따라 그 발광 스펙트럼은 상대적으로 증가하였다.
연소합성법으로 제조된 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체는 고상반응법보다 매우 낮은 소결온도인 1000℃에서 순수한 결정성을 갖는 YAG 상이 검출되었고, 약 20nm 내외의 매우 작은 구형 입자를 형성하였으며, 1400℃의 소결온도에서는 그 결정성은 유지하였으나 발광 특성이 크게 감소하였다. 그리고 Ce³^+ 농도에 따른 XRD 결과 2.0mol% 이상의 농도에서는 CeO₂ 피크가 검출되었고, 0.6mol%에서 가장 우수한 발광 특성을 나타내었으며, 금속 이온과 반응제인 citric acid의 weight ratio는 3 : 1, 금속 이온 전체의 몰농도는 0.2M에서 가장 우수한 발광 특성을 나타내었다. 또한, 연소합성 시 연료가 되는 반응제의 종류에 따른 PL 발광 스펙트럼 결과 glycine을 이용하여 제작한 경우 가장 약한 intensity를 보였고, citric acid와 urea를 이용하여 제작했을 때는 intensity가 크게 증가하였으며, urea일 경우 최대의 intensity를 나타냈다.
가장 우수한 특성을 나타낸 urea로 제작된 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체와 epoxy resin을 혼합하여 청색 LED에 도포시킨 후 구동하자 LED에서 나온 청색 빛과 LED의 청색 빛에 의해 여기되어 발광하는 황색 빛이 혼합되어 백색 빛을 구현할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ phosphors were synthesized by solid state reaction method and combustion method. The crystalline phase compositions, particle size, morphologies, and optical properties of the synthesized powders were evaluated using the XRD, SEM and PL.
First, Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ phosphors were prepared conventionally by solid state reaction method using yttria(Y₂O₃) and alumina(Al₂O₃) compounds. This method existed stable intermediate phase such as YAP(Yttrium Aluminum Perovskite, YAlO₃) due to high sintering temperature(1550℃), milling process for a long time and low reactivity of raw materials. In addition, phosphor particles prepared through conventional solid state reaction method had large size(0.5 ∼ 1.0㎛), defect of the lattice and it results in decreasing of the luminescence efficiency.
Second, Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ phosphors were prepared by combustion method. The combustion method was possible to synthesize the lower temperature than the conventional solid state reaction method. The (420) main peak of YAG:Ce phosphor is increased under the effect of sintering temperature. The amorphous precursor transformed directly pure phase YAG without intermediate phases such as YAP and YAM. SEM images shown that nano sized particles(about 20nm) were of spherical shape. The best PL properties have been observed at Ce³^+ concentration of 0.6mol%, solution mole concentration of 0.2M, weight ratio of metal ion : reagent = 3 : 1, respectively. In the Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ phosphor, the excitation spectrum located from 410 to 510nm and the emission spectrum located from 480 to 600nm.
These results indicate that Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ phosphors prepared through combustion method have wide application as phosphor of the blue excitation and yellow emission for white LED.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 = ⅰ
• 목차 = ⅲ
• 표목차 = ⅴ
• 그림목차 = ⅵ
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 문헌 연구 = 4
• 2.1 LED(Light Emitting Diode) = 4
• 2.1.1 LED의 개요 = 4
• 2.1.2 LED의 구조 및 원리 = 7
• 2.1.3 White LED = 11
• 2.2 형광체 = 12
• 2.2.1 형광체의 개요 = 12
• 2.2.2 형광체의 구성요소 = 14
• 2.2.3 형광체의 발광원리 = 17
• 2.2.4 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체 = 20
• 2.2.5 형광체의 합성법 = 23
• 2.3 나노 입자 = 27
• 2.3.1 나노(Nano)의 개요 = 27
• 2.3.2 나노입자의 합성 방법 = 28
• 2.3.3 나노입자의 특성 = 29
• 2.4 색과 빛(Color and Light) = 30
• 2.4.1 개요 = 30
• 2.4.2 CIE 색도좌표 = 33
• 2.4.3 색의 혼합과 보색 = 37
• 제3장 실험 방법 = 39
• 3.1 고상반응법에 의한 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체의 제조 = 39
• 3.1.1 출발 물질의 선택 = 39
• 3.1.2 형광체의 제조 = 39
• 3.2 연소합성법에 의한 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체의 제조 = 41
• 3.2.1 출발 물질의 선택 = 41
• 3.2.2 형광체의 제조 = 41
• 3.3 형광체의 특성 평가 = 43
• 제4장 결과 및 고찰 = 45
• 4.1 고상반응법에 의한 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체의 특성 = 45
• 4.1.1 소결온도에 따른 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체의 특성 = 45
• 4.2 연소합성법에 의한 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체의 특성 = 49
• 4.2.1 소결온도에 따른 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체의 특성 = 50
• 4.2.2 활성제 Ce³^+ 농도에 따른 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체의 특성 = 54
• 4.2.3 Citric acid 첨가 비율에 따른 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체의 특성 = 59
• 4.2.4 금속이온 몰농도 변화에 따른 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체의 특성 = 63
• 4.2.5 소결온도에 따른 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체의 특성 (Glycine) = 67
• 4.2.6 소결온도에 따른 Y₃Al_5O_(12) : Ce³^+ 형광체의 특성 (Urea) = 71
• 제5장 결론 = 74
• 제6장 참고 문헌 = 76
• ABSTRACT = 79