$YVO_4:Eu^{3+}$ 형광체의 발광특성에 미치는 첨가이온 효과 및 디스플레이 소자용 적색 형광체로의 응용

Abstract

$YVO_4$ 는 여러 종류의 lanthanide ion을 개별적으로 혹은 둘 이상의 ion을 doping할 경우 다양한 color를 보이는 우수한 host lattice 이다. 특히 Eu ion을 doping 한 $YVO_4$ 형광체는 적색 발광을 하며 이때의 spectrum은 593 nm ($^5D_0$ → $^7F_1$), 619 nm ($^5D_0$ → $^7F_2$), and 700 nm($^5D_0$ → $^7F_4$) 에서 나타난다. 최근 3년 동안 $YVO_4 :Eu^{3+}$ 형광체는 색좌표의 우수성 때문에 평판 디스플레이용 적색 형광체로 주목을 받아왔다. 이러한 배경으로는 Eu ion의 발광 특성은 $YVO_4$ 조성의 Y ion처럼 inversion symmetry 특성이 없는 site에 위치할 경우, $^5D_0$ → $^7F_2$ 전이가 우세하기 때문이다. 따라서 $YVO_4 :Eu^{3+}$ 형광체는 다른 형광체보다 우수한 색순도, 색좌표 특성을 가지게 되며, 더불어 chemical substitution을 통해서 발광강도의 향상이나 색좌표 특성 향상을 기대할 수 있는 것이다. 3장에서는 Gd와 La의 첨가에 의한 $YVO_4 :Eu^{3+}$ 형광체의 발광 특성과 결정 구조의 변화를 살펴보았다. XRD 분석과 격자상수의 정보로부터 Gd ion은 $YVO_4$ 의 구조는 변화시키지 않지만, unit cell의 크기를 변화시키는 것을 알 수 있었다. 한편 La ion은 Y ion과의 반경 차이가 Gd ion보다 크기 때문에 La ion의 첨가량이 증가함에 따라 tetragonal구조에서 monoclinic구조로 변화되는 것을 확인하였다. 147과 254 nm의 광원에 의한 PL 발광 강도는 Gd ion의 첨가에 의해 distortion 된 $D_{2d}$ site symmetry를 가진 tetragonal phase가 더 우수한 결과를 보였으며, La를 첨가한 경우에는 La ion의 첨가량이 증가함에 따라 PL 발광강도는 직선적으로 감소하였다. 하지만 $YVO_4 :Eu^{3+}$ 형광체의 발광 기구가 $Eu^{3+}$ ion의 직접 여기-발광 기구 거동을 보이는 365 nm 광원에서는 distorted C1 site symmetry를 가지는 $(Y, La)VO_4 :Eu^{3+}$ 형광체의 경우가 약간 더 우수한 발광 강도를 보였다. 4장에서는 공침법을 이용하여 zircon-type의 $YVO_4 :Eu^{3+}$ 형광체를 합성 한 후, 그 특성을 고상반응법으로 합성한 형광체와 비교하였다. 공침법으로 제조된 $YVO_4 :Eu^{3+}$ 형광체는 열처리 후 200 nm 정도의 크기를 보였으며, 형상은 구형을 보였다. 하지만 고상반응법으로 제조한 형광체보다 다소 낮은 발광 효율을 보였다. 앞서 앞장에서 밝힌 기술한 바와 같이 XRD 와 PL 발광 스펙트럼의 분석을 통하여 Gd ion의 첨가가 $YVO_4 :Eu^{3+}$ 형광체의 발광강도를 향상 시키는 것을 확인하였다. $YVO_4 :Eu^{3+}$ 와 $(Y,Gd)VO_4 :Eu^{3+}$ 형광체의 특성을 발광 특성을 이해하기 위하여 저전압 CL 특성을 측정/분석하였다. 저전압 CL 분석 결과에 근거했을 경우, $YVO_4 :Eu^{3+}$ 와 $(Y,Gd)VO_4 :Eu^{3+}$ 형광체의 발광특성이 two-level system으로 설명되는 것을 증명하였다. 따라서 Gd에 의한 발광 특성의 향상에 대한 근본적인 이유가 에너지 전달 기구보다는 $Eu^{3+}$ ion이 존재하는 site의 결정구조에 미치는 영향이 더 큰 것으로 판단된다. 또한 저전압 CL을 분석한 결과, 공침법으로 제조한 나노 크기의 형광체가 고상반응법으로 제조한 형광체보다 낮은 양자 효율을 가지는 것을 알 수 있었다. 이에 대한 이유로는 나노 형광체의 특성상, volume 대비 넓은 면적에 기인한 표면 defect에 의한 영향이라고 판단된다. 5장에서는 $YVO_4 :Eu^{3+}$ 형광체를 near-UV 광원에 의한 강도를 증가시키기 위한 방안