란탄계열 니오븀염 및 알칼리토금속 니오븀염 형광체의 발광특성 개조에 관한 연구

Abstract

조명 및 디스플레이용 고효율의 연색성 좋은 발광체 합성과 그 발광특성을 연구하였다. 천연색 디스플레이 및 백색 조명용 LED등이 우수한 연색성과 효율을 가지기 위해서는, UV 발광 LED에 RGB(삼원색) 형광체를 적용하는 것이 좋다. AlGaN 이나 InGaN 등의 LED가 방출하는 장파장 UV (350 nm ~ 400 nm)를 효과적으로 흡수하여 삼원색을 내놓는 형광체를 개발하고자, 본 논문에서는 NbO43- 계열의 RNbO4 (R = La, Y, Gd) 와 CaNb2O6를 합성하여 발광 특성을 연구하였다. 이러한 niobate의 발광은 La, Y, Gd, Ca 등에서 나오는 발광이 아니라 전자배치가 d0 (closed-shell)인 Nb 이온과 관련된 발광으로 산소 2p궤도 전자중의 하나가 Nb5+의 비어있는 4d 궤도함수로 옮겨가는 전하전이 (charge transfer)에 의해 발광하게 된다. RNbO4 (R = La, Y, Gd)의 rare earth niobate는 fergusonite 구조를 가지며 약 250 nm 와 410 nm에서 강한 흡수와 방출 띠를 나타낸다. 정사면체(Td) 구조인 NbO43- 의 O2-에서 Nb5+로 전하전이는 LaNbO4와 YNbO4의 경우에는 효율적이고 강하게 나타난다. 하지만 GdNbO4의 경우 NbO43-로부터 Gd3+의 효율적인 에너지 전달이 가능하지 못하기 때문에 발광이 일어나지 않는다. Alkaline earth niobate CaNb2O6는 columbite 구조를 가지며 262 nm와 469 nm 에서 최대 흡수와 방출 파장을 나타낸다. Rare earth 와 alkaline earth niobate의 결정격자에 Eu3+이나 Bi3+등의 활성제나 증감제를 NbO43- 계열의 결정격자에 혼입(dope)하여 발광특성을 연구하였다. Rare earth niobate의 발광특성은 Bi3+와 Eu3+의 농도에 크게 영향을 받는다. Y1-xBixNbO4에서 Bi3+ (x = 1.5)를 넣어주었을때 niobate의 효율은 극대화되었으며, 약 250 nm였던 2p(O) ? 4d(Nb)의 흡수파장이 6s(Bi) ? 4d(Nb)의 전하전이를 통해 약 310 nm까지 장파장 쪽으로 이동하였다. 방출파장 역시 410 nm 에서 448 nm 로 장파장 쪽으로 이동하였다. RNbO4에 Eu3+만을 혼입시켰을 때NbO43-의 발광은 감소하고 5D0 → 7F2 의 613 nm로 에너지가 전이되었다. Bi3+ (x ≥ 10)농도에 Eu3+(5%)를 넣고 발광을 관찰한 결과 증감제와 활성제의 상호작용에 의하여 NbO43-의 발광 세기는 감소한 반면 5D0 → 7F2 에 일치하는 Eu3+의 613 nm 에너지전이의 효율이 증가하였다. 흡수파장은 소량의 Bi3+를 넣어주었을 때의 310 nm에서 발광의 세기가 크게 줄어들지 않는 338 nm 까지 장파장 UV영역 쪽으로 이동하였다. Bi3+의 농도가 15 atom% 였을때 band-edge는 352 nm 까지 이동하였다. Alkaline earth niobate인 CaNb2O6도 rare earth niobate와 같이 Bi3+를 넣어주면 흡수파장이 262nm 에서 315로 이동하는, 같은 경향성을 보였으나 활성제인 Eu3+에는 반응하지 않았다. Rare earth niobate 와 Alkaline earth niobate는 GaN에서 나오는 장파장 UV를 효율적으로 흡수하여 빨강색과 파랑색 빛을 방출하므로 LED용 형광체로서의 응용이 가능하다.