$Ba^{2+}$ 이온 첨가에 따른 $Sr_3MgSi_2O_8 : Eu^{2+}$ 형광체의 발광특성과 열 안정성에 관한 연구

Abstract

최근 Liquid Crystal Displays (LCDs)의 Back Light Unit(BLU)에 사용되는 광원으로 Cold Cathode Fluorescent Lamps (CCFLs)가 각광을 받고 있다. 이러한 CCFL은 낮은 소비 전력과 높은 휘도, 긴 수명 등의 장점을 갖고 있는 것으로 알려져 있다. CCFL내벽에는 백색광을 만들기 위하여 청색, 녹색, 적색을 발광을 하는 형광체들이 존재하고 있고, 그 내부에는 inert gas와 수은이 포함되어 있어 형광체를 여기 시키기는 역할을 한다. 이러한CCFL에 사용되는 청색 발광 형광체로는 $BaMgAl_{10}O_{17} : Eu^{2+}$ (BAM)과 $(Sr, Ca, Ba, Mg)_5(PO_4)_3Cl : Eu^{2+}$ (SCA) 등이 있다. 하지만 이러한 상용 형광체들은 낮은 색 재현율과 열 안정성, 녹색과 적색에 비해 발광 강도가 약한 단점이 있다. 따라서 우수한 특성을 갖는 청색 발광 형광체를 개발하는 것은 매우 시급한 일 이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 $Sr_3MgSi_2O_8 : Eu^{2+}$ (SMS) 형광체가 CCFL용 청색 발광 형광체로서 연구되었다. 이러한 SMS 형광체들은 UV 여기(254nm) 하에서 발광 특성이 관찰되었는데 특히 1250℃에서 $NH_4Cl$ 용제와 함께 합성 될 경우 가장 우수한 특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 합성된 모든 조성은 UV 여기 하에서 청색 발광을 나타내는 것이 관찰되었으며 특히 0.1 mole의 Eu 농도에서 최상의 발광 강도를 나타내었다. 다음으로 색 재현율을 증가 시키기 위하여 $SMS: Eu^{2+}$ 내에 존재하는 Sr 이온을 Ba 이온으로 치환하는 연구가 진행되었다. $(Sr_{1-x}Ba_x)_3MgSi_2O_8 : Eu^{2+}$ (x = 0.1 ― 1)의 PL 발광 특성을 관찰한 결과 x값에 따라 발광파장의 이동 경향성이 다르게 나타났다. x = 0 ~ 0.5 범위에서는 457 nm에서 427 nm까지 발광 파장이 단파장으로 이동하였는데 이러한 현상의 원인은 crystal field effect 라고 할 수 있다. 즉, 원자 반경이 큰 Ba 이온이 치환됨에 따라 lattice가 확장되어 Eu 이온이 느끼는 crystal field는 줄어들게 되고 그에 따라 단파장으로의 이동이 나타난 것이다. 흥미롭게 x = 0.5 ~ 1.0 범위에서는 발광 파장이 다시 장파장으로 이동하여 427nm에서 437nm로 이동하는 것이 관찰되었다. 이러한 현상은 nephelauxetic effect 이론으로 설명 될 수 있는데 이 효과는 Eu ― O 결합의 covalency와 관련이 있다고 할 수 있다. 즉, Ba 이온의 양이 증가 됨에 따라 산소 주위에 존재하는 electron의 density가 높아지고 그에 따라 Eu ― O 사이의 covalency가 증가하게 되어 결합에 참여하는 전자간의 반발력은 줄어들게 된다. 그에 따라 Eu 이온의 5d-level 자체가 감소하여 결국 transition energy를 감소 시킴에 따라 발광 파장이 장파장으로 이동하게 된 것이다. 최적화된 SBMS 조성은 상용형광체인 BAM 형광체보다 발광 특성이 우수한 것으로 나타났으며 SCA 형광체보다 색 좌표 특성이 뛰어난 것으로 확인되었다. CCFL용 형광체의 열 안정성 문제는 휘도나 색좌표 특성과 마찬가지로 매우 중요한 문제라고 말 할 수 있다. 왜냐하면 청색, 녹색, 적색 형광체를 CCFL 표면에 부착시키기 위해 유기 바인더를 이용하는데 나중에 이를 제거하기 위해 600℃에서 10분간 열 처리를 진행하는 과정이 필수적이기 때문이다. 하지만 이러한 열 처리 과정은 형광체의 발광을 감소시키는 치명적인 문제를 가지고 있다. 그 정도는 매우 심각해서 본 SBMS 형광체의 경우 55%의 발광강도의 감소가 나타났다. 이러한 발광 강도의 감소의 원인으로는 온도를 올리는 과정에서 발생하는 $Eu^{2+}$ 이온의 $Eu^{3+}$ 이온으로의 산화 기구가 알려져 있다. 즉, baking 과정