비유기성 고분자 용액을 이용하여 분무열분해법에 의한

청색 발광의 BAM 형광체 분말의 제조

이동열, 강윤찬．, 정하균, 박희동, 박승빈1

한국화학연구원 화학소재부

1 한국과학기술원 화학공학과

Preparation of blue emitting BAM phosphor particles

by spray pyrolysis using non-organic polymer solution

Dong youl Lee, Yun Chan Kang．, Ha Kyun Jung, Hee Dong Park,

and Seung Bin Park1

Division of Advanced Materials, KRICT

1 Department of Chemical Engineering, KAIST

서  론

디스플레이와 램프에는 형광체가 주로 분말의 형태로 적용되어지고 있는데 주로 적색, 녹색, 푸른색 발광의 분말들의 조합 형태로 사용되고 있다. 푸른색 발광 형광체로는 주로 Eu2+ 활성 이온이 도핑된 BAM(BaxMgyAlzOm) 계열 산화물질들이 사용된다[1-3]. BAM은 기존의 (Sr,Ca,Ba)10(PO4)6C12:Eu와 같은 기존의 푸른색 발광 형광체보다 광특성 및 열특성 등이 좋기 때문에 플라즈마 디스플레이와 삼파장 램프용으로 많이 연구되어지고 있다. BAM은 적색과 녹색 발광의 형광체들보다 복잡한 결정구조를 가지고 있어 제조가 어렵고 분말의 특성 조절이 어려워, 플라즈마 디스플레이와 삼파장 램프의 특성을 좌우하는 중요한 변수가 되고 있다.

분무열분해법은 구형의 형상을 가지면서 응집이 없는 다성분계 형광체 분말들의 제조가 가능하기 때문에 형광체 분말의 제조에 많이 적용되어졌다[4-5]. 형광체 분말들이 비표면적이 작으면서 표면 결함이 적어야 좋은 발광 특성을 나타내는데 반해 일반적인 분무열분해법에 의해 제조되어지는 형광체 분말들은 속이 비면서 다공성인 형태를 가지기 때문에 문제점으로 지적되고 있다.  특히 분무열분해 공정을 통해 형광체 분말들을 대량으로 생산하기 위한 조건에서는 더욱 속이 빈 분말들이 얻어진다. 즉, 대량 생산을 위한 조건인 고농도의 용액, 액적의 짧은 체류시간, 큰 반응기 등의 조건하에서는 분무열분해법에서 보다 속이 빈 분말들이 얻어진다. 따라서 본 연구에서는 비 유기성의 알루미늄 성분의 고분자 용액을 원료로 사용하여 분무열분해 공정에서 BAM:Eu2+ 형광체 분말들을 제조하고 형상 및 발광 특성들을 비교하였다.

실  험

알루미늄 성분의 비유기성 고분자 용액은 알루미늄 수화물을 적당량의 산을 첨가하여 제조하였고, 이를 알루미늄 고분자 물질로 하여 바륨, 마그네슘, 유로품의 원료로써 각각의 질산염을 당량비 만큼씩 첨가하여 BaMgAl10O17:Eu 형광체 분무 용액을 제조하였다.

액적을 대량으로 분무시키기 위하여 초음파 액적 발생 장치를 개조하여 사용하였다. 액적이 건조되고 열분해 되는 가열 부는 전기로를 사용하였으며 온도를 900oC로 유지시켰다. 운반기체로는 압축공기를 분당 45L 씩 보내주었다. 이때 액적 및 분말의 반응기내 체류 시간은 0.6초였다. 분말은 테프론 재질의 여과포를 이용한 필터를 사용하여 회수하였다.

분무열분해법에서 얻어진 BAM 전구체 입자들은 1250℃에서 1400℃까지 50℃씩 온도를 올려가며 3시간씩 열처리하였다. 유로피움의 2가로의 환원을 위해 25% 수소/질소 혼합가스를 이용하여 환원시켰다.

얻어지는 분말들이 PDP 및 삼파장 램프에 가능성을 알아보기 위해 각각 UV 및 VUV에서 발광 특성들을 분석하였다.

결과 및 토론

분무열분해 공정의 대량 생산을 위한 장치 및 제조 조건하에서는 운반기체의 유량의 영향으로 일반적인 염 용액을 사용해서는 그림 1a에서 나타나듯이 속이 빈 형태의 분말들이 얻어진다. 속이 빈 분말이 얻어지는 이유는 전구체 물질들이 용해되어 있는 액적들이 건조되는 단계에서 액적의 표면에서 과포화에 의해 먼저 석출이 일어나기 때문이다. 이러한 속이 빈 형태의 분말들은 고온의 열처리 공정에서 구형의 형상이 깨지고 불균일한 형태의 분말이 얻어진다.  반면에 알루미늄 고분자 용액을 사용함으로써 분무열분해 공정에서 속이 찬 전구체 분말들을 제조하였다. 이러한 속이 찬 전구체 분말들은 열적 안정성이 높아 고온의 열처리 공정을 거쳐도 완벽한 구형의 형상을 가졌으며 분말(그림1 b, c)들간의 응집도 발생하지 않았다.

분무열분해법에 의해 얻어진 전구체 물질들은 결정 성장을 위해서 후처리 공정이 필요하다. 후처리는 먼저 산화분위기에서 열처리를 거치고 후에 환원분위기에서 재 열처리하는 공정과 직접 환원처리 공정만 거치는 두 가지 방법을 다 사용할 수 있다. 그림 2는 얻어지는 분말들의 UV 및 VUV하에서의 발광특성들을 나타낸다. UV하에서는 열처리 온도가 1400℃ 일 때 최고의 발광 특성을 나타냈으며 상용의 110%의 발광세기를 가졌다. 반면에 VUV하에는 1400℃에서 얻어진 분말들이 상용들과 비슷한 발광세기를 가졌다. 얻어진 분말들은 1350℃ 이상에서 충분한 발광세기를 가졌으며 그 이하의 온도에서는 결정하도가 충분히 일어나지 않아 발광 휘도가 감소하였다.

참고문헌

1. C, R, Ronda and B. M. J. Smets, J. Electrochem. Soc., 136(2), 570 (1989).

2. S. Oshio, K. Kitamura, T. Shigeta, S. Horii, T. Matsuoka, S. Tanaka, and T. Kanda,

J. Electrochem. Soc., 146(1), 392 (1999).

3. C. R, Ronda, J. Alloys Comp., 225, 534 (1995).

4. Y. C. Kang and S. B. Park, Jpn. J. Appl. Phys., 38, L1541 (1999).

5. Y. C. Kang, S. B. Park, I. W. Lenggoro, and K. Okuyama, J. Phys. Chem. solids, 60,

379 (1999).

a) No polymer

b) 1M polymer

c) 2M polymer

Fig. 1 SEM photographs of BaMgAl10O19:Eu particles post-treated at 1400 ℃ for 3 hrs.

a) UV (254nm)

b) VUV (147nm)

Fig. 2 Photoluminescence spectra of BaMgAl10O19:Eu particles at various

post-treatment temperatures.