희토류 이온을 첨가한 CaZrO₃ 축광성 형광체 합성 및 발광특성에 관한 연구
A Study on the Synthesis and Luminescent Characteristics of CaZrO₃ Long Persistent Phosphors doped with Rare-earth Ions
- 주제(키워드) Long Persistent Phosphor , CaZrO₃ , e-trap center
- 발행기관 동신대학교 일반대학원
- 지도교수 최종건
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 2
- 학위명 박사
- 학과 대학원 보석공학과
- 세부전공 보석공학 전공
- 원문페이지 xiv, 173 p.
- 본문언어 한국어
- 저작권 동신대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구에서는 새로운 산화물계 축광성 형광체를 고온의 약한 환원분위기에서 전통적인 고상반응법으로 합성하였다. 모체결정은 열팽창계수가 낮고 강도가 높으며, 화학적으로 안정한 CaZrO₃를 사용하였으며, 활성화제로는 란탄족 원소 즉, 희토류 원소를 첨가하여 발광중심을 생성하였고, 모체결정에 적정 농도의 e-trap center를 생성하여 발광휘도가 높으며, 발광 지속시간이 긴 축광성 형광체를 합성하였다. 또한 그에 대한 잔광발광 메커니즘을 규명하고자 하였다. CaZrO₃:R^(3+) 축광성 형광체의 활성화제로는 Tb^(3+) 이온과 Ho^(3+) 이온 그리고 Er^(3+) 이온을 첨가하여 합성하였다. 활성화제의 농도에 따른 발광특성을 분석하였으며, H₃BO₃의 농도에 따른 발광특성의 변화를 분석하였다. 또한 모체결정인 Ca^(2+) 이온을 비 화학양론 혼합에 의한 발광특성의 변화와 Al, In을 첨가하여 발광특성의 변화를 분석하였으며, 열처리 분위기에 따른 변화를 확인하였다. 잔광발광 메커니즘은 인접한 2개의 R^(3+) 이온이 Ca^(2+) 격자에 치환됨에 따라 생성된 Ca^(2+) 격자공공이 생성되며, 자외선에 의한 활성화제 이온의 4f → 4f5d 여기과정에서 생성된 자유전자가 Ca^(2+) 격자공공과 인접한 Ca^(2+) 이온에 포획되어 있다가 실온에 의해 열적으로 서서히 해방되어 장시간 발광을 유지한다. 또한 B^(3+) 이온이 Zr^(4+) 격자에 치환되고, R^(3+) 이온이 Ca^(2+) 이온의 자리에 치환되면 B^(3+) 이온과 R^(3+) 이온쌍이 형성되어 전하보상이 일어나게 되며, B^(3+) 이온과 R^(3+) 이온쌍과 인접한 Ca^(2+) 이온이 e-trap center 역할을 하고 있음을 확인하였다. 전통적인 고상반응법으로 장시간 발광을 유지하는 CaZrO₃:Tb^(3+) 축광성 형광체와 CaZrO₃:Ho^(3+) 축광성 형광체 그리고 CaZrO₃:Er^(3+) 축광성 형광체를 합성하였으며, 잔광발광의 메커니즘을 규명하였다.
more초록/요약
Noble oxide long persistent phosphors have been synthesized at high temperature with weak reduction atmosphere by the traditional solid state reaction method. The host crystal was used CaZrO₃ of low expansion, high strength and chemically stable properties. Lanthanide element, namely rare-earth element doped in host crystal as activator. Long persistent phosphors of high luminesce intensity and long afterglow decay time properties were synthesized by creating e-trap center of appropriate compositions in the host crystal. The mechanism was also discussed in this study. CaZrO₃:R^(3+) long persistent phosphors were synthesized by doping Tb^(3+) ion, Ho^(3+) ion and ER^(3+) ion as activators. Luminescent properties were analysed by the concentration of activators and concentration of H₃BO₃. Then experiments were focused on the analysis of the luminescent property changes by non-stoichiometric compounds of Ca ion in the host crystal and addition of Al and In ion. Luminescent properties were also measured at different heat treatment conditions. Long afterglow mechanism of keeping up long time decay is a role of created e-trap center. Ca^(2+) lattice vacancy created by neighboring two R^(3+) ion can be substituted by Ca^(2+) ion lattice and e-traps were created at Ca^(2+) ion of neighboring Ca^(2+) lattice vacancy. Free electrons are created during 4f → 4f5d exiting of activator ion by ultra violet and stored in the e-traps. Because of the e-traps in a metastable state at room temperature, the exited electrons stored in it can be thermally released and turned back to the valence band, resulting in the self-activated emission. B^(3+) ion can also be substituted in Zr^(4+) lattice and R^(3+) ion can be substituted in Ca^(2+) ion lattice. In that case, B^(3+) ion and Zr^(4+) ion couple will be created and charge compensation will be obtained. Ca^(2+) ion created by neighboring B^(3+) ion and R^(3+) ion couple was confirmed a role of e-trap center. A new long persistent phosphors of keeping up long time decay with the compositions of CaZrO₃:Tb^(3+), CaZrO₃:Ho^(3+) and CaZrO₃:ER^(3+) were synthesized by the traditional solid reaction method. Long afterglow mechanism of CaZrO₃:R^(3+) phosphor was confirmed.
more목차
제1장 서론 = 1
1.1 연구배경 = 1
1.2 연구목적 = 3
1.3 연구내용 및 범위 = 4
제2장 문헌조사 = 5
2.1 형광체의 정의와 발광원리 = 5
2.1.1 형광체의 에너지 흡수와 발광 = 6
2.1.2 이온과 전자기파의 상호작용 = 9
2.2 형광체의 발광과도 특성 = 17
2.2.1 형광과 인광의 분류 = 18
2.2.2 형광의 감쇠 = 18
2.2.3 준안정 상태와 인광 = 20
2.2.4 트랩과 인광 = 21
2.3 축광성 형광체 = 27
제3장 실험 = 30
3.1 CaZrO₃:R^(3+)의 축광성 형광체 합성 = 30
3.2 특성 평가 = 33
3.2.1 X-선 회절 분석 = 33
3.2.2 발광 스펙트럼 분석 = 33
3.2.3 장잔광 특성 분석 = 34
3.2.4 UV-VIS-NIR 특성 분석 = 34
제4장 결과 및 고찰 = 35
4.1 CaZrO₃:Tb^(3+) 축광성 형광체 = 35
4.1.1 Tb^(3+)의 발광 특성 = 42
4.1.2 CaZrO₃:Tb^(3+)의 발광 특성 = 44
4.1.2.1 활성화제농도에 의한 영향 = 47
4.1.2.2 융제농도에 의한 영향 = 57
4.1.2.3 융제5at%일 때 활성화제농도에 의한 영향 = 66
4.1.2.4 Li 첨가 및 열처리 조건에 의한 영향 = 72
4.1.2.5 Ca 이온의 비화학양론 조합에 의한 영향 = 84
4.1.2.6 Al과 In 첨가에 의한 영향 = 97
4.1.3 CaZrO₃:Tb^(3+) 축광성 형광체의 발광 메커니즘 = 116
4.2 CaZrO₃:Ho^(3+) 축광성 형광체 = 119
4.2.1 Ho^(3+)의 발광 특성 = 119
4.2.2 CaZrO₃:Ho^(3+)의 발광 특성 = 121
4.2.3 CaZrO₃:Ho^(3+) 축광성 형광체의 발광 메커니즘 = 145
4.3 CaZrO₃:Er^(3+) 축광성 형광체 = 147
4.3.1 Er^(3+)의 발광 특성 = 147
4.3.2 CaZrO₃:Er^(3+)의 발광 특성 = 149
4.3.3 CaZrO₃:Er^(3+) 축광성 형광체의 발광 메커니즘 = 162
제5장 결론 = 164
요약 = 167
References = 168
감사의 글 = 173