2차원 층상구조를 가진 백색 LED용 신조성 $Na_2Y_2Ti_3O_{10}:Eu^{3+},Sm^{3+}$ 적색형광체 및 적색발광 $Y_2Ti_3O_{10}:Eu^{3+}$ 나노시트의 발광 특성

Abstract

최근 새로운 광원으로써 장수명, 고효율, 친환경적인 장점을 가지고 있는 백색 LED에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 백색 LED는 주로 Blue LED 칩에 $YAG:Ce^{3+}$ 과 같은 황색 발광 형광체를 도포하는 방법으로 만들어지나, 이러한 방법은 열에 의한 소광현상과 색재현성이 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 UV LED칩에 적색, 녹색, 그리고 청색 발광 형광체를 도포하는 방법이 제안되었다. 이 방법은 색재현성이 가장 높다는 장점이 있는 반면에 효율이 낮다는 단점으로 인하여 실용화되지 못하고 있다. 따라서 실용화를 위해서는 UV영역에서 효율적으로 여기되는 신조성 형광체의 개발이 중요하다고 할 수 있다. 그 중 near UV영역에서 효율적으로 여기되는 적색 발광 형광체가 특히 중요하다. Activator로써 $Eu^{3+}$ 이온을 갖는 형광체는 항상 적색 발광을 하며, near UV영역에 직접 여기 밴드를 가지고 있다. 이 직접 여기 밴드는 금지 전이이기 때문에 매우 약하지만 2차원 구조를 갖는 모체에서는 상대적으로 매우 강한 효율을 보이게 된다. 이 연구에서는 모체로써 $Na_2Y_2Ti_3O_{10}$ 를 도입하였다. 이 모체는 새로운 조성으로써, orthorhombic의 layered-perovskite구조를 가진다. $Na_2Y_2Ti_3O_{10}:Eu^{3+}$ 형광체는 $Na_2CO_3$ 를 50 mol% 초과하여 섞고 $1350\degC$ 에서 3시간 소성할 때, 가장 잘 합성되었다. $Na_2Y_2Ti_3O_{10}$ 형광체의 최적 activator 농도는 50 mol%에서 나타났는데, 이는 상당히 높은 농도로써 2차원 구조로 인해 나타나는 현상이며 따라서 near UV 영역에서 높은 여기 효율을 갖는다. 이 형광체의 주 발광 여기 파장은 각각 617 nm, 396 nm에서 나타났으며, 396 nm 여기에 대한 발광 강도는 상용 적색 $Y_2O_2S:Eu^{3+}$ 형광체 대비 4 배의 발광 강도를 보였다. Y ion을 Gd ion으로 치환하면 발광 강도가 감소되었고, 이는 critical radius가 커짐으로써 여기된 에너지가 killer center로 도달할 확률이 증가함으로써 일어나는 것으로 보인다. $Sm^{3+}$ 이온을 0.01 mol 포함한 $Na_2Y_2Ti_3O_{10}:1.00Eu^{3+},0.01Sm^{3+}$ 형광체는 $Sm^{3+}$ 이온을 포함하지 않은 $Na_2Y_2Ti_3O_{10}:Eu^{3+}$ 형광체에 비해 410 nm여기에서 약 40% 높은 발광 강도를 보였다. 이경우 $Sm^{3+}$ 이온은 sensitizer의 역할을 하여 여기 스펙트럼은 변화시키지만 발광 스펙트럼의 모양은 변화시키지 않는다. 따라서 적색 발광 $Na_2Y_2Ti_3O_{10}:1.00Eu^{3+},0.01Sm^{3+}$ 형광체는 near UV LED를 이용한 디바이스에 적합한 것으로 결론지을 수 있다. 위에서 합성한 적색 발광 형광체를 이용하여 $Y_2Ti_3O_{10}:Eu^{3+}$ nanosheet 형광체를 형성시켰으며, 이를 TEM을 통하여 확인하였다. Nanosheet 형광체를 형성시키는 과정에서 생기는 colloid 현탁액을 분석해본 결과 quantum size effect를 관찰할 수 있었다. 이 현탁액을 원심분리하여 얻은 $Y_2Ti_3O_{10}:Eu^{3+}$ nanosheet 형광체 용액은 상당한 투명도와 함께 강한 적색 발광 특성을 보였다. 이 nanosheet 형광체를 LBL (layer-by-layer self-assembly) 방법을 통해 기판에 증착시킨 결과 역시 적색 발광을 관찰할 수 있었다. $Y_2Ti_3O_{10}:Eu^{3+}$ nanosheet 형광체의 열안정성을 증가시키기 위하여 PEI용액이 도입되었으며, 이때 두 가지 현상이 관찰되었다. 하나는 PEI를 coating 함으로써 quencher와의 거리가 멀어지고 이로 인한 발광 강도 증가효과이며, 다른 하나는