분무열분해법에 의한 YAG 형광체의 제조

정윤섭, 강윤찬, 최정수, 박승빈↕, 조성희*, 유재수**

한국과학기술원 화학공학과, 중앙대학교 화학공학과*

Preparation of YAG Phosphors by Spray Pyrolysis

Yun Seup Chung, Yun Chan Kang, Jeong Su Choi, Seung Bin Park↕,

Sung Hee Cho*, and Jae Soo Yoo**

Department of Chemical Engineering, KAIST,

Department of chemical Engineering, Chung-Ang University*

서  론

도핑된 Yttrium Aluminate Garnet(Y3Al5O12, YAG)는 첨가되는 activator의 종류에 따라서 full color를 구현할 수 있고, 저 전압에서 여기될 수 있으며, life time이 길며, 전기적 전도도가 매우 우수하기 때문에 FED(Field Emission Display)[1]와 PDP(Plasma Display Panel)[2]용 형광물질로 각광받고 있다. 일반적으로 좋은 발광 특성을 보이기 위해서 제조되는 입자는 높은 순도와 결정화가 좋아야 하며, 좁은 크기 분포를 보이며, 수 마이크론 크기를 가지는 구형의 응집성이 적은 입자가 되어야 한다.

지금까지 형광물질들은 주로 고상법에 의해서 제조되었으나, 이 경우에는 높은 반응 온도와 긴 가열 시간에 의하여 응집성이 있는 입자가 제조되고,  밀링 공정에 의하여 비균일한 입자가 제조된다. YAG의 제조에 있어서는 YAM(Y4Al2O8)나 YAP(YAlO3)가 생성되는 부반응이나, 원료물질(Y2O3, Al2O3)들의 미반응을 막기 위하여 그 반응온도를 약 1600℃ 까지 올려야 순수한 YAG를 합성할 수 있어[3] 그 제조에 어려움이 있다. 이 밖에도 YAG의 제조에는 combustion법, 졸-젤 법[4] 그리고 수열합성법[5] 등이 있으나, 이런 경우에도 응집성이 있거나, 비균일한 입자가 제조되어 만족스런 결과를 얻기가 어렵다.

분무열분해법은 전구체 용액으로부터 액적을 분무시킨 후, 관형로 반응기에서 건조한 후 열분해 시켜 입자를 제조하는 방법이다. 이 때 하나의 액적에서 하나의 입자를 생성하게 되므로, 액적과 같은 구형 모양의 응집성이 적은 입자를 제조할 수 있다. 또 액적 안에서 microscale의 반응이 일어나기 때문에, 비교적 낮은 반응온도와 다성분계 상에서도 일정한 조성을 가진 입자를 제조할 수 있다.  또한 도핑시키는 Tb 분자들이 solution 속에서 고르게 분포되어 있으므로, 제조된 입자는 Tb의 고른 분포를 나타낼 수 있어 좋은 발광효과가 기대된다.

본 연구에서는 녹색 발광 특성을 가진 YAG 입자를 FEAG(Filter Expention Aerosol Generator)를 이용하여 제조하려 한다. 그리고 제조된 입자를 이용하여 순도, 결정성, 입자의 평균크기, morphology, 그리고 발광성 등의 입자 특성을 조사하려고 한다.

실  험

이번 실험에서 사용한 FEAG[6,7]는 저압 하에서 액적을 발생시키는 장치이다. Precusor는 Y2O3의 source인 yttrium nitrate와 Al2O3의 source인 aluminium nitrate를 사용하여 YAG(Y3Al5O12)의 양론비인 Y2O3 : Al2O3을 3 : 5로 맞추어 증류수에 용해시켰다. 여기에서 농도와 제조되는 입자의 size의 관계를 알기 위해서 우선 yittrium nitrate와 aluminium nitrate의 총 농도를 0.02M 에서 1.2M 까지 변화시켜가며 제조되는 입자의 size를 측정하였다. 그 다음으로는 Tb에 따른 발광 특성을 알아보기 위하여 yittrium nitrate와 aluminum nitrate의 총농도를 0.2M으로 고정시킨 다음 더해주는 Tb의 양을 총 solute양의 0.3at.%에서 1.5at.%까지 바꾸어가며 실험하였다.

이와 같이 제조된 precursor는 FEAG에서 약 2□m 정도 크기의 액적으로 되어 관형로반응기 안으로 들어간다. 이때 반응기 체류시간은 약 0.01∼0.02 sec 정도이고, 반응기 내 반응 온도는 900℃이다. FEAG 내부의 압력은 60 torr로 일정하게 유지하였다. 그런 다음 제조된 입자들을 activation 시키기 위해 고온에서 5시간 동안 열처리 시켰다. 또한 annealing조건에 따른 변화를 살펴보기 위하여 열처리 온도를 900℃에서 1200℃로 변화시켰다.

제조된 입자들은 XRD, SEM, TEM, centrifugal particle size analyzer 등을 이용하여 입자들의 결정성과, 형태 그리고 크기 등을 분석하였다. 그리고 CL(Cathodluminescence), PL(Photoluminescence) 등을 이용하여 발광 특성을 측정하였다.

결과 및 토론

Yittrium과 aluminium의 총 농도 변화에 따른 제조되는 입자의 size를 측정해보면 약 0.8□m 정도의 크기분포가 비교적 적은 입자를 제조할 수 있었다. 그리고 총농도가 0.02M 에서 1.2M 까지 증가함에 따라 입자의 평균 크기는 0.45□m에서 1.02□m까지 증가하였다.

XRD data로 부터 900℃에서 제조된 입자들은 비교적 낮은 온도와 반응기 안에서의 짧은 체류시간 때문에 결정성장이 이루어지지 않은 무정형의 입자가 제조되었으나, 5시간 동안 900℃ 이상의 온도에서 열처리 된 입자들은 순수한 YAG의 결정성을 나타내었다. 그리고 그 열처리 온도가 900℃에서 1200℃로 증가할수록 입자의 결정성은 증가하였다. 이와 같이 분무열분해법으로 제조되는 미세한 입자는 각 산화물이 고르게 섞여있기 때문에 고상법에서 제조되는 1800℃와 비교해 볼 때  낮은 온도에서도 결정성을 나타내는 것이다.

Fig 1 (a)과 (b)는 각각 열처리되기 전과 후의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 이때 입자는 총농도 0.4M에서 제조하였고, 1200℃에서 5시간동안 열처리하였다. 입자들은 모두 구형의 모습을 나타냈으며, 고온으로 열처리 한 후에도 그 입자들이 응집되지 않은 모습을 볼 수 있다. 이는 제조된 입자를 고온에서 열처리하여도 입자의 형태에는 큰 영향을 주지 않음을 보여준다.

1000℃에서 5시간동안 열처리한 입자들의 CL을 10-6 torr, 800V, 10mA/m2의 고진공 chamber안에서 측정하였다. 0.3at.%에서 1.5at.%까지 도핑하는 Tb의 양을 바꾸어가면서 휘도를 측정하여 보면 77cd/m2에서 100cd/m2를 나타내었다. 그중 약 0.7at.% 부근에서 가장 높은 100cd/m2의 휘도를 보였다.

참고문헌

1. Chakhovskoi, A. G., Kesling, W. D., Trujillo, J. T., and Hunt, C. E.: J.Vac. Sci. Technol. B, 12[2], 785-789(1994)

2. Ozawa, L.: Cathololumine science, Kodansha-VCH, Toyo-Weinheim(1995)

3. Hong, C. S., Ravindranthan, P., Agrawal, D. K., and Roy, R.: J. Mat. Sci.	Lett., 13, 1072-1075(1994)

4. Ravi P. R.: J Electrochem. Soc., 143[1], 189-197(1996)

5. Cho, S. H., Yoo, J. S., and Lee, J. D.: J. Electrochem. Soc., 143[10],	L2314-L234(1996)

6. Kang, Y. C. and Park, S. B.: J. Aerosol Sci., 26[7], 1131-1138(1995)

7. Kang, Y. C. and Park, S. B.: HWAHAK KONGHAK, 34[2], 183-187(1996)

(a) Primitive particles

(b) Post-treated particles

Fig 1. SEM photographs of YAG:Tb particles prepared by FEAG process.