융제의 융점이 분무열분해법에 의해 제조되어진 형광체 분말의 특성에 미치는 영향

강윤찬, 노현숙, 박승빈*

한국과학기술원 화학공학과

The Effect of Melting Temperature of Flux on the Characteristics of Phosphor Particles Prepared by Spray Pyrolysis

Yun Chan Kang,  Hyun Sook Roh, and Seung Bin Park

Department of Chemical Engineering, KAIST

서  론

분무열분해법은 기능성의 형광체 분말을 제조하는 공정으로써 많이 연구되어지고 있다.[1-6] 분무열분해법에 의해 제조되어지는 형광체 분체는 구형의 형태를 가지면서 서브마이크론에서 마이크론 사이의 미세한 크기를 가지기 때문에 평판디스플레이 및 삼파장 램프용으로써 좋은 특성을 가진다. 이러한 분체의 형태와 함께 형광체의 특성에 있어서 중요한 요소가 발광 특성이다. 일반적인 형광체 제조 공정인 고상법이나 액상법에서는 발광 특성을 증가시키기 위해 융제들을 사용한다. 융제는 원료 물질들간의 반응성을 증가시키고 결정성을 좋게 하여 형광체 분말의 발광특성을 증가시킨다. 본 연구팀에서는 분무열분해법에 의한 형광체 분말의 제조에 융제를 처음으로 적용하였고 고상법이나 액상법에서와 마찬가지로 융제가 형광체 분말의 발광 특성 향상에 기여함을 보였었다.[7,8] 또한 분무열분해법에 의한 형광체 분말의 제조에 있어서 융제의 특성이 미치는 영향에 대해서 연구하여 적절한 융제를 찾는 노력을 기울이고 있다. 그 연구의 일환으로써 고상법에서 융제의 녹는점이 중요한 변수임을 이용하여 분무열분해법에서 서로 다른 녹는점을 가지는 같은 종류의 융제들을 사용하여 융제의 녹는점이 형광체의 형태, 결정화도 및 발광 휘도에 미치는 영향에 대해서 알아보았다.

실  험

본 연구에서는 일반적인 고상법에서 많이 사용되어지는 금속염들을 선택하여 단독으로 혹은 서로 혼합된 형태로 사용하여 융제의 녹는점을 350(60% KCl+40% LiCl)에서 800 oC(NaCl) 까지 조절하였다. 순수한 융제의 영향을 알아보기 위해 Y2O3:Eu 형광체 입자들은 분무열분해법에 의해 1300 oC에서 직접 제조하였으며 열처리 과정을 거치지 않았다. 1300 oC에서 직접 제조되어진 형광체 분말들은 3초의 짧은 체류시간에도 불구하고 좋은 발광 특성을 가졌다.

반응용액은 모체와 활성제를 이루는 Y과 Eu의 질산염들을 증류수에 용해시키고 융제도 직접 반응용액에 용해시켜 사용하였다. 액적들을 발생시키기 위해서는 초음파 분무 장치를 이용하였다. 발생된 액적들은 고온으로 유지되어진 관형 반응기 내부에서 건조와 열분해 과정을 거쳐 하나의 액적으로부터 하나의 형광체 입자들이 제조되었다. 융제의 첨가량은 생성물인 Y2O3:Eu을 기준으로 한 중량비로 20 %를 첨가하였다. 본 연구에서 사용되어진 융제의 첨가량(중량비로 20%)은 일반적인 고상법이나 액상법에서의 융제 첨가량에 비해 매우 높다. 그 이유는 고상법이나 액상법에서는 형광체 분말을 얻기 위해 고온에서 장시간의 열처리 과정을 거치는 반면에 분무열분해법에서는 3초 이내에 전구체의 열분해, 결정화 및 활성화가 이루어지기 때문이다. 이러한 짧은 체류시간에 융제가 특성을 나타내기 위해서 일반적인 공정들보다 많은 양의 융제를 필요로하는 것이다.

결과 및 고찰

융제가 입자의 형태에 미치는 영향을 알아보기 위해 전자현미경으로 관찰하였다. 분무열분해법에의해 직접 제조하여 열처리 과정을 거치지 않았기 때문에 융제의 종류에 무관하게 입자들간의 응집은 일어나지 않았다. 융제를 첨가하지 않은 경우에는 속이 빈 형태를 가졌지만 완벽한 구형의 형태를 유지했다. 반면에 융제들을 첨가한 경우에 있어서는 입자들이 완벽한 구형의 형태를 가지지 못하고 일부 찌그러든 형태를 가졌다. 1300 oC 의 반응 온도는 Y2O3를 용해시키기에는 낮은 온도이지만 융제들이 입자내부에서 용해하여 Y2O3를 부분적으로 용해시켜 속이빈 입자들의 구형의 형태들을 일그러뜨리는 역할을 하였다. Fig.1은 융제를 첨가하지 않은 경우와 융제로써 KCl을 첨가했을 때 제조되어진 Y2O3:Eu 형광체 분말들의 전자현미경 사진들이다.

Fig.2에 융제의 종류에 따른 Y2O3:Eu 형광체 분말들의 빛 발광(photoluminescence) 특성들을 나타내었다. 융제를 첨가한 경우에 얻어진 입자들이 융제를 첨가하지 않은 경우에 얻어진 입자들보다 좋은 휘도를 가짐을 알 수 있다. 특히 융제의 녹는점이 입자의 휘도에 많은 영향을 미쳤으며 녹는점이 낮아질수록 좋은 휘도의 형광체 입자들이 얻어졌다. 가장 낮은 녹는점을 가지는 KCl과 LiCl 의 혼합 융제를 사용한 경우에 얻어진 입자들은 융제를 사용하지 않은 경우에 얻어진 입자들보다 휘도가 42% 증가하였다. 고상법에서는 융제가 형광체 분말들의 발광 특성을 증가시키는 중요한 요인이 결정성을 증가시키기 때문이다. 표1에 융제의 녹는점 변화에 따라 분무열분해법에 의해 제조되어진 입자들의 결정자 크기와 상대적인 발광 휘도를 나타내었다. 융제가 형광체의 발광 휘도를 변화시킨 반면에 입자들의 결정자 크기에는 변화를 주지 않았다. 따라서 분무열분해법에서 융제의 기능이 기존의 고상법이나 액상법과는 다름을 알 수 있다.

분무열분해법에 의해 제조되어진 형광체 분말들은 속이 비고 다공성인 특성을 가지기 때문에 입자의 내부 및 표면에 많은 결점들을 가지고 있다. 이러한 결점들은 형광체 입자가 UV 나 전자빔과 같은 에너지원에 의해 여기 되었을 때 생성되는 활성화된 전자들을 제거하는 기능을 함으로써 발광 휘도를 떨어뜨리게 된다. 분무열분해법에서 융제를 사용한 경우에는 Fig.1에서 보여주듯이 입자들을 일부 용해시킴으로써 입자 내부에 존재하는 결점들을 제거해주어 형광체 입자들의 발광 휘도를 증가시킨다. 또한 입자들의 체류시간이 3초로 짧기 때문에 융제의 녹는점이 낮을수록 보다 효율적으로 작용하여 형광체 입자의 발광 휘도를 증가시키게 된다.

참고문헌

1. Y. C. Kang, S. B. Park, I. W. Lenggoro, and K. Okuyama, J. Electrochem.

Soc., 146[7], 2744 (1999).

2. Y. C. Kang, S. B. Park, I. W. Lenggoro, and K. Okuyama, J. Electrochem.

Soc., 146[3], 1227 (1999).

3. Y. C. Kang, S. B. Park, I. W. Lenggoro, and K. Okuyama, J. Mater. Res.,  14[6], 2611 (1999).

4. Y. C. Kang, H. S. Roh, and S. B. Park, Adv. Mater., In print (2000).

5. Y. C. Kang, S. B. Park, I. W. Lenggoro, and K. Okuyama, Jap. J. Appl.

Phys., 38[4A], 2013 (1999).

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

7. Y. C. Kang, H. S. Roh, and S. B. Park, Jpn. J. Appl. Phys., 39, L31

(2000).

8. Y. C. Kang, H. S. Roh, D. J. Seo, and S. B. Park, J. Mater. Sci. Lett., In print (2000).

(a) No flux

(b) KCl flux

Fig.1 SEM photographs of Y2O3:Eu particles prepared by spray pyrolysis from solutions with and without flux.

Fig.2 PL spectra of Y2O3:Eu particles prepared by spray pyrolysis from solutions with and without fluxes.

Table1 The effect of melting temperature of flux on the crystallite size and PL intensity of Y2O3:Eu phosphor particles.

Flux material	No	NaCl	KCl	LiCl	KCl+LiCl
Melting Temp.(oC)		800	770	600	350
Crystallite size(nm)	30	35	31	35	30
PL intensity (relative value)	100	118	132	138	142