분무열분해법에 의한 PDP용 (YGd)BO3:Eu 형광체 제조

손종락, 강윤찬*, 박희동, 박승빈1

한국화학연구원 화학소재부

1한국과학기술원 화학공학과

Preperation of (YGd)BO3:Eu phosphor particles for PDP by spray pyrolysis

Jong Rak Sohn, Yun Chan Kang*, Hee Dong Park, and Seung Bin Park1

Division of Advanced Materials, KRICT

1Department of Chemical Engineering, KAIST

서  론

(YGd)BO3:Eu 형광체는 적색 발광을 하는 형광체로서 평판디스플레이인 플라즈마 디스플레이에서 적색 발광 형광체로서 매우 중요한 형광체이다. 현재 이러한 형광체는 주로 고상법에 의해 제조되어지고 있다[1,2].

분무열분해법은 구형의 형광체 분말들을 제조 할 수 있는 공정으로 최근에 활발히 연구되어지고 있다[3-5]. 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. 이러한 분무열분해법의 단점을 없애기 위한 방법으로써 콜로이드 용액을 적용하여 속이 찬 형광체 분말을 얻는다든지 융제를 적용하여 표면 결함을 제거해주어 형광체 분말의 특성을 향상시키는 기술도 개발되어졌다[3-5]. 하지만 (YGd)BO3:Eu 형광체의 경우에 있어서는 일반적인 형광체 분말 제조 공정에서 융제로 사용되어지는 붕소 화합물을 다량 사용하기 때문에 분무열분해법에서도 구형의 형태를 가지는 (YGd)BO3:Eu 형광체 분말의 제조가 어렵다. 따라서 분무열분해법에서 (YGd)BO3:Eu 형광체 분말의 형태를 균일하게 조절하는 연구가 필요하였다.

실  험

형광체 분말의 모체 및 모체를 도핑하는 활성제를 구성하는 이트륨, 가돌리늄 및 유로피움 각각의 금속물들의 전구체 물질들로써는 물이나 알코올 등의 용매에 쉽게 용해하는 초산염(acetate), 질산염(nitrate), 염화물(chloride)등을 사용하였다. 융제로는 일반적인 분체 제조 공정에서 사용되어지는 KCl, LiCl, NaCl, Li2CO3, Na2CO3, K2CO3 등의 화합물들을 복합적으로 첨가하여 사용하였다.  초음파 분무열분해법에 의해 900oC에서 제조되어지는 전구체 분말들은 900∼1250oC 에서 3시간씩 열처리하였다. 얻어진 (YGd)BO3:Eu 형광체 분말들은 플라즈마 디스플레이에의 적용 특성을 알아보기 위해 진공자외선(Vacuum UV : VUV) 영역에서 빛 발광 특성을 비교 분석하였다.

결과 및 토론

융제를 사용하지 않은 경우 이트륨과 가돌리늄 및 유로피움의 전구체 물질로는 각각 질산염을 사용하였고 용액의 총농도는 0.5M 이었다. 분무열분해법에 의해 얻어진 분말들은 (YGd)BO3:Eu의 결정성을 가지나 반응기 온도가 낮기 때문에 충분히 결정화가 이루어지지 않았다. 따라서 후 열처리 과정을 거쳤다. 그림 1은 얻어진 분말들을 1000oC에서 3시간 동안 열처리 과정을 거친 분말들의 전자현미경 사진이다. 분무열분해법에서 얻어진 전구체 분말들은 완벽한 구형의 형태를 가지고 있지만 열처리를 거친 후의 분말의 형태는 구형의 형상이 사라지고 불규칙한 형상을 가졌다. 이때 얻어진 분말들은 상용보다 5% 이상의 휘도를 나타내었다.

KCl 융제를 사용하는 경우 KCl 융제의 첨가량이 얻어지는 (YGd)BO3:Eu 형광체 분말에 대해 질량비로 2% 정도에서도 얻어지는 분말의 특성에 영향을 미쳤다. 또한 KCl 의 첨가량이 2% 이상으로 증가할수록 입자들간의 응집이 사라졌으며 4% 이상에서는 입자들간의 응집이 적어 밀링 공정이 필요 없을 정도로 되었다.  그림 2는 KCl 융제의 첨가량이 질량비로 4%일 때 얻어진 (YGd)BO3:Eu 형광체 분말들의 전자현미경 사진이다. 전자현미경 사진으로부터 KCl의 첨가량이 증가할수록 분말의 크기는 증가하고 있으며 입자들간의 응집도 줄어듦을 알 수 있다. 열처리 온도도 융제를 첨가하는 경우에 얻어지는 분말들의 형태에 많은 영향을 미쳤다. 900 oC 의 비교적 낮은 열처리 온도에서도 융제를 사용하는 경우에 입자들간의 응집이 적은 매끈한 형태의 분말들이 얻어졌으며 열처리 온도가 증가할수록 분말들의 평균 크기는 증가하였다. 하지만 열처리 온도가 1250 oC 까지 상승하여도 분말들의 응집은 일어나지 않았다. 그림 3은 KCl 융제를 질량비로 6% 넣었을 때 열처리 온도가 1150 oC 일 때 얻어진 분말들의 전자현미경 사진이다. 분말들의 평균크기가 대략 2마이크론 정도임을 알 수 있다.

그림 4는 KCl 융제를 첨가했을 때와 첨가하지 않았을 때 얻어진 분말들의 진공 자외선 영역에서의 발광 특성을 나타낸다. 융제를 첨가한 경우에 있어서도 상용 제품과 비슷한 정도의 발광 휘도를 가짐을 알 수 있다. 즉, KCl 융제를 첨가하여 얻어지는 (YGd)BO3:Eu 형광체 분말들의 형태를 조절하면서 충분한 밝기의 발광 휘도를 가지도록 가능함을 알 수 있다.

LiCl을 사용한 경우에 있어서는 KCl 에서와는 달리 열처리 온도에 따라 얻어지는 (YGd)BO3:Eu 형광체 분말들의 특성이 많이 변하였다. 1000 oC에서 열처리를 거친 분말들은 매우 균일한 특성을 가졌으나 그 이하나 그 이상의 온도에서는 분말이 과다하게 성장하거나 불규칙한 형태 특성을 나타내었다. 그림 5는 4%의 LiCl을 첨가한 경우에 1000 oC에서 열처리 과정을 거쳤을 때 얻어지는 (YGd)BO3:Eu 형광체 분말들의 전자현미경 사진이다. 분말들이 1 마이크론 크기의 매우 균일한 특성을 가지고 있다.

융제를 첨가하지 않는 분무열분해 공정에서 얻어지는 (YGd)BO3:Eu 형광체 분말들은 열처리 과정에서 다공성의 불규칙한 형태를 가지는 반면에 KCl 이나 LiCl 같은 융제를 첨가하는 경우에 있어서는 분말들의 열처리 과정에서 재결정화가 이루어지면서 균일한 형태를 가지는 분말들이 얻어졌다. 특히 융제를 사용하는 분무열분해 공정에서는 기존 고상법보다 낮은 온도에서 한번의 열처리 과정을 거치고 또한 밀링 과정도 필요치 않은 간단한 공정을 거치기 때문에 그 경제성이 매우 높다. 이처럼 융제를 사용하는 분무열분해법에서 얻어지는 (YGd)BO3:Eu 형광체 분말들은 균일한 형태를 가지면서 고휘도를 가지기 때문에 PDP의 적색 발광 형광체로써 적용이 가능하다.

참고문헌

1. Y. Y. Shin, J. L. Chae, T. H. Cho, H. J. Chang, S. Lim, R. Y. Lee, and Y. Kim, Proc. IDW'96, 81 (1996).

2. Y. Y. Shin and Y. Kim, Asia Display'98, 583 (1998).

3. Y. C. Kang, H. D. Park, and S. B. Park, Jpn. J. Appl. Phys., 39, L1305 (2000).

4. Y. C. Kang, H. S. Roh, and S. B. Park, Adv. Mater., 12[6], 451 (2000).

5. Y. C. Kang, H. S. Roh, and S. B. Park, Jpn. J. Appl. Phys., 39, L31 (2000).

Fig. 1 SEM Photograph of (YGd)BO3:Eu particles without flux.

Fig. 2 SEM Photograph of (YGd)BO3:Eu particles with 4% KCl flux.

Fig. 3 SEM Photograph of (YGd)BO3:Eu particles with 6% KCl flux.

Fig. 4 Photoluminescence spectra of (YGd)BO3:Eu particles.

Fig. 5 SEM Photograph of (YGd)BO3:Eu particles with 4% LiCl flux.