Skull melting법에 의해 성장된 rutile 단결정 분석

석정원,최종건,Seok, Jeong-Won,Choi, Jong-Koen 한국결정성장학회 2006 韓國結晶成長學會誌 Vol.16 No.5

스컬용융법에 의해 성장시킨 rutile단결정을 성장 축과 수평 또는 수직으로 절단한 후 ${\phi}5.5mmx1.0mm$ 크기의 웨이퍼로 양면연마 하였다. 연마한 흑색 웨이퍼들은 $1200^{\circ}C$에서 $3{\sim}15$시간, $1300^{\circ}C$에서 $10{\sim}50$시간 annealing을 행함에 의해 옅은 황색으로 변화되었다. Annealing 후 구조적 및 광학적 특성은 비중, SEM-EBSP, XRD, FT-IR, laser Raman, PL 그리고 XPS 등으로 분석하였고, 이들 결과들은 공기중의 무게 증가, 수중의 무게 및 비중의 감소,침상의 2차상, 산소이온 확산 및 $Ti^{3+}$ 이온이 감소되는 것으로 분석되었다. 이는 스컬용융법에 의해 성장된 rutile 단결정에 $O_v,\;Ti^{3+},\;O_v-Ti^{3+}$ interstitial 그리고 $F^+-H^+$와 같은 결함의 존재를 의미한다. Rutile single crystals grown by skull melting method were cut parallel and perpendicular to growth axis, and both sides of the cut wafers (${\phi}5.5mmx1.0mm$) were then polished to be mirror surfaces. The black wafers were changed into pale yellow color by annealing in air at 1200 and $1300^{\circ}C$ for $3{\sim}15\;and\;10{\sim}50$ hours, respectively. After annealing, structural and optical properties were examined by specific gravity (S.G), SEM-electron backscattered pattern (SEM-EBSP), X-ray diffraction (XRD), FT-IR transmittance spectra, laser Raman spectroscopy (LRS), photoluminescence (PL) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). These results are analyzed increase of weight in air, decrease of weight in water and specific gravity, shown secondary phase of needle shape, diffusion of oxygen ion and increase of $Ti^{3+}$. From the above results, we suggest that the skull melting method grown rutile single crystals contain defect centers such as $O_v,\;Ti^{3+},\;O_v-Ti^{3+}$ interstitials and $F^+-H^+$.

스컬용융법에 의한 루틸 단결정 성장메커니즘과 RE generator 조건에 관한 연구

석정원,최종건,Seok jeong-Won,Choi Jong-Koen 한국결정성장학회 2005 한국결정성장학회지 Vol.15 No.5

스컬용융법에 의해 루틸 단결정들을 성장시켰으며, 서로 다른 융액의 유지시간에 따른 ingot의 특성을 비교하였다. 스컬용융법은 교류전자기장(RF)에 의해 전기가 흐르는 융액의 직접유도가열에 근거하며, 가열은 RF 에너지의 흡수로 실행된다. $TiO_2$는 상온에서는 부도체이지만 온도가 올라갈수록 전기 전도성이 증가한다. 따라서, 초기 RF 유도가열을 위해 티타늄 금속 링(외경 : 6cm, 내경 : 4cm, 두께 : 0.2cm)을 $TiO_2$ 분말(아나타제상, CERAC, 3N)내부에 묻었다. 스컬용융법에 의한 산화물 용융에서 매우 중요한 것은 융점에서의 전기 저항 값, RF generator의 주파수 그리고 냉각도가니 크기이다. 본 연구에서는, $TiO_2$의 융점에서의 전기저항$(10^{-2}\~10^{-1}\;{\Omega}{\cdot}m)$은 알루미나$(10^{-1}\;{\Omega}{\cdot}m)$의 지르코니아$(10^{-3}\;{\Omega}{\cdot}m)$의 전기저항 데이터를 바탕으로 추정하였다. 냉각도가니의 내부직경은 11cm, 높이는 14cm였으며, 이것은 침투깊이$(0.36\~1.13cm)$와 RF generator 주파수를 고려하여 결정하였다 Ingots of rutile single crystals were grown by the skull melting method, and their characteristics were compared in terms of melt-dwelling time for each melt. The method is based on direct inductive heating of an electrically conducted melt by an alternating RF field, and the heating is performed by absorption of RF energy. $TiO_2$ is an insulator at room temperature but its electric conductivity increases elevated temperature. Therefore, titanium metal ring(outside diameter : 6cm, inside diameter : 4cm, thickness 0.2cm) was embedded into $TiO_2$, powder (anatase phase, CERAC, 3N) for initial RF induction heating. Important factors of the skull melting method are electric resistivity of materials at their melting point, working frequency of RF generator and cold crucible size. In this study, electric resitivity of $TiO_2$, $(10^{-2}\~10^{-1}\;{\Omega}{\cdot}m)$ at its melting point was estimated by compairing the electric resitivities of alumina and zirconia. Inner diameter and height of the cold crucible was 11 and 14cm, respectively, which were determined by considering of the Penetration depth $(0.36\~1.13cm)$ and the frequency of RF generator.

$Er^{3+}$를 첨가한 $CaZrO_3$ 축광성 형광체의 합성 및 발광 특성 분석

박병석,최종건,Park, Byeong-Seok,Choi, Jong-Koen 한국결정성장학회 2008 韓國結晶成長學會誌 Vol.18 No.1

새로운 $CaZrO_3:Er^{3+}$ 축광성 형광체를 전통적인 고상반응법으로 제조하였으며, 분쇄한 축광성 형광체를 X 선 회절 분석, 광발광 분석, 열발광 분석과 휘도계를 통하여 장잔광 특성을 분석하였다. X 선 회절 분석 결과 순수한 $CaZrO_3$ 결정상을 확인 하였으며, 고온의 질소 분위기에서 합성한 경우 446 nm 와 550 nm의 넓은 발광 피크가 나타났다. 합성한 장잔광 특성의 형광체의 발광 지속시간은 254 nm UV lamp로 여기 시킨 후 어두운 곳에서 6시간 이상 스스로 발광 하였다. 발광 피크는 $Er^{3+}$ 이온의 $^5D_{5/2}{\rightarrow}^4F_{9/2},\;^2H_{12/2},\;^4S_{3/2}{\rightarrow}^4I_{13/2}$ 그리고 $^2G_{9/2}{\rightarrow}^4I_{13/2}$ 전이에 의한 것이며, 잔광 특성은 $CaZrO_3$ 격자 내에 적당한 trap center가 형성 된 것으로 판단된다. Novel long persistent phosphors of $CaZrO_3:Er^{3+}$ have been synthesized by traditional solid state reaction method. The long persistent phosphor crystalline particles were characterized by the X-ray diffraction (XRD), photoluminescence spectrophotometer, thermoluminescence (TL) and luminance meter. The results reveal that the samples are composed of single $CaZrO_3$ phase. The broadband emission spectra of 446 nm peak and 550 nm peak was revealed by synthesized at high temperature in $N_2$ gas. Green long persistent phosphors have been observed in the sys_em for over 6 h after UV irradiation (254 nm). The main emission peak was ascribed to $Er^{3+}$ ions transition from $^5D_{5/2}{\rightarrow}^4F_{9/2},\;^2H_{12/2},\;^4S_{3/2}{\rightarrow}^4I_{13/2}\;and\;^2G_{9/2}{\rightarrow}^4I_{13/2}$, and the afterglow may be ascribed to the suitable trap centers in the $CaZrO_3$ host lattice.

$B_2O_3$ 첨가에 의한 적색 축광성 형광체의 발광특성에 관한 연구

황구현,최종건,Hwang, Ku-Hyeon,Choi, Jong-Koen 한국결정성장학회 2008 韓國結晶成長學會誌 Vol.18 No.1

[ $CaCO_3$ ]와 $ZrO_2$를 모체결정으로 하고 Pr을 부활제로, 융제로 $B_2O_3$을 사용하였으며 고상반응법으로 합성하여 $CaZrO_3$ : Pr 적색 축광성 형광체를 제조하였다. XRD 분석을 통하여 시료의 결정상을 확인하였고, PL 검사를 통하여 $480{\sim}570nm$영역과 $590{\sim}700nm$ 영역의 발광 스펙트럼을 관찰하였다. 융제로서 $B_2O_3$을 각각 1%, 5%, 10%를 첨가하여 고상반응법으로 합성하였을 때, 494 nm 에서 발광은 $B_2O_3$의 농도가 1%일 때 가장 높은 강도를 나타냈다. 적색을 나타내는 620 nm에서의 Peak는 $B_2O_3$의 농도가 10%일 때 가장 높은 강도를 나타내었다. Red long persistent phosphors of $CaZrO_3$ : Pr was synthesized by a solid reaction method. $CaCO_3\;and\;ZrO_2$ were used as hosting materials and Pr was doped as luminescence center element, and $B_2O_3$ was used as flux. The XRD pattern confirmed crystalline phase of the phosphor, and photoluminescence investigation showed emission spectrum at $480{\sim}570nm\;and\;590{\sim}700nm$. Phosphor samples were synthesized with $B_2O_3$ flux concentration of 1, 5, 10%, and luminescent peak of maximum intensity at 494 nm was obtained for 1% $B_2O_3$. Luminescent peak of red color at 620 nm was of highest intensity for 10% $B_2O_3$.

루틸단결정 성장을 위한 스컬용융시스템의 조건

석정원,최종건,Seok, Jeong-Won,Choi, Jong-Koen 한국결정성장학회 2006 韓國結晶成長學會誌 Vol.16 No.4

스컬용융법은 생산원가가 낮고 crust의 재사용으로 수율이 좋아 양질의 산화물단결정성장 및 대량생산에 좋은 방법이다. 본 연구에서는 루틸단결정을 스컬용융법에 의해 성장시켰으며, 서로 다른 성장조건에서의 ingot특성을 비교하였다. 좋은 품질의 루틸 ingot 성장을 위한 조건은 직경 12, 높이 14cm 도가니 사용, 3000pF의 tank condenser 용량, 2.84 MHz의 주파수, 9시간의 용액유지시간, 2mm/h의 성장속도였다. Skull melting method can be a good candidate for growing oxide single crystals with high quality and for mass production because of its low production costs and high yield through recycling of crust. In this study, rutile single crystals were frown by the skull melting method and ingot characteristics with the variation of different growth conditions has been investigated. Conditions for high quality rutile ingot growth were used for producing cold-crucible size of ${\Phi}12cm{\times}H14cm$, capacity of 3000 pF tank condenser, work frequency of 2.84 MHz, melt-dwelling time of 9hrs and growing speed of 2 mm/h.

스컬법에 의한 루틸 단결정 성장에 관한 연구

석정원,최종건,Seok Jeong-Won,Choi Jong-Koen 한국결정성장학회 2004 韓國結晶成長學會誌 Vol.14 No.6

초기 RF유도가열을 위해 Ti 금속링을 사용하여 스컬법에 의해 루릴 단결정을 성장시켰다. 성장시킨 단결정은 ${\varnothing}55.5{\times}1.0mm$의 wafer로 가공하였으며,$1300^{\circ}C$에서 15시간까지 대기중에서 열처리 하여 $\lambda=200~25000nm$의 범위에서 투광도를 비교하였다. Rutile single crystals were grown by the skull melting method. Ti metal ring was used for initial RF induction heating. The grown crystals were cut into wafer of 5.5 mm diameter and 1mm thickness. The wafers were annealed in air at $1300^{\circ}C$ up to 15 hours and their transmittance spectra $(\lambda= 200~25000 nm)$ were obtained.

광학적 방법에 의한 루비와 가넷의 감별법에 관한 연구

황지호,최종건,Hwang Ji-Ho,Choi Jong-Koen 한국결정성장학회 2005 한국결정성장학회지 Vol.15 No.5

본 연구에서는 루비와 가넷을 감별하는데 첨단기기분석인 FT-IR, UV-VIS spectroscopy를 이용하였다. FT-IR을 이용한 분석결과 루비와 가넷의 격자진동에 의한 흡수 스펙트럼은 아주 다른 특성을 보여주었다. UV-VIS spectroscopy을 이용한 분석결과 루비는 적색과 청색영역에서 두개의 투과가 나타났고 이와 다르게 가넷은 오직 적색영역에서만 투과가 있다는 것을 알 수 있었다 이러한 결과를 토대로 루비와 가넷을 감별할 수 있는 컬러필터를 개발하였고 이를 HJH(Hwang Ji Ho) Filter라고 명명하였다. HJH Filter를 통해 봤을 때, 루비는 청색으로 보여지고 가넷은 진한 적색으로 보여졌다 이는 HJH Filter의 청색영역 투과도 때문이다. 스피넬, 투어멀린과 같은 또 다른 적색 보석들은 가릿과 같이 진한 적색으로 보여졌다. 이는 루비와 적색보석들을 감별하는데 유용한 결과가 있음을 알았다. The FT-IR absorption spectrum by the lattice vibrations of ruby and garnet obtained from FT-IR shows quite different characteristics. By the UV-VIS spectroscopy it was found that the ruby has two transmission bands in red and blue region, while garnet has only one transmission band in red region. The color filter to distinguish ruby from garnet was developed and named HWANG JI HO filter. Through the HWANG JI HO filter, ruby was shown in blue color and garnet was shown in dark red color because of the only the blue region transmittance of the filter. Other red stones, such as spinel, tourmaline were shown in dark red color like as garnet. The ruby could be recognized easily from the red stone.

Cobalt가 첨가된 이트리아 안정화 큐빅지르코니아(YSZ) 단결정의 리간드장에 따른 색상변화

석정원,최종건,Seok, Jeong-Won,Choi, Jong-Koen 한국결정성장학회 2007 한국결정성장학회지 Vol.17 No.1

스컬(skull)용융법에 의해 성장시킨 코발트($Co^{2+}$)가 도핑(doping)된 $25{\sim}50wt%$의 서로 다른 $Y_2O_3$ 함량을 가진 이트리아 안정화 큐빅지르코니아(YSZ) 단결정을 $N_2$ 분위기 $1000^{\circ}C$에서 5시간 동안 열처리하였다. 적갈색의 단결정들은 각각 보라색 또는 청색으로 변화되었으며, Co가 첨가(doping) 된 처리 전 후의 YSZ들은 직경 6.5, 두께 2 mm의 웨이퍼 또는 직경 10 mm의 라운드브릴리언트 컷(round brilliant cut)으로 연하 하였으며, 광학적 또는 구조적 특성은 UV-VIS 분광광도계와 XRD(X-ray diffraction)로 측정하였으며, $Co^{2+}\;(^4A_2(^4F)\to{^4P})$ 및 $Co^{3+}$에 의한 흡수, 에너지 간격(energy gap) 및 격자 매개 변수(lattice parameter)변화가 분석되었다. Cobalt ($Co^{2+}$) doped yttria stabilized cubic zirconia (YSZ, $Y_2O_3\;:\;25{\sim}50wt%$) single crystals grown by a skull melting method were heat-treated in $N_2\;at\;1000^{\circ}C$ for 5 hrs. The reddish brown single crystals were changed into either violet or blue color, respectively. Before and after heat treatment, the Co-doped YSZ crystals cut for wafers (${\phi}6.5{\times}t\;2mm$) and round brilliant (${\phi}10mm$). The optical and structural properties were examined by UV-VIS spectrophotometer and XRD. These results are analyzed absorption by $Co^{2+}\;(^4A_2(^4F)\to{^4P})\;and\;Co^{3+}$, change of energy gap and lattice parameter.